[Перевод] Почему атомы — величайшее чудо Вселенной
Один из самых удивительных фактов нашего существования был впервые постулирован более 2000 лет назад: на каком-то уровне каждая часть нашей материальной реальности может быть сведена к ряду крошечных компонентов, сохраняющих свои важные индивидуальные характеристики, которые позволяют им собираться воедино и создавать все, что мы видим, знаем, встречаем и переживаем. Эта простая мысль, приписываемая Демокриту Абдерскому, со временем переросла в атомистическое представление о Вселенной.
Хотя буквальное греческое слово «ἄτομος», означающее «неразрезаемый», не совсем применимо к атомам, поскольку они состоят из протонов, нейтронов и электронов, любая попытка «разделить» атом дальше приводит к потере его сущности: того факта, что он является определённым, конкретным элементом таблицы Менделеева. Именно это свойство позволяет ему создавать все те сложные структуры, которые существуют в нашей наблюдаемой реальности: количество протонов, содержащихся в атомном ядре.
Атом настолько мал, что если подсчитать общее количество атомов, содержащихся в одном человеческом теле, то получится около 1028: это более чем в миллион раз больше, чем количество звёзд во всей видимой Вселенной. И всё же сам факт того, что мы состоим из атомов, является, пожалуй, величайшим чудом во всей Вселенной.
В атоме, молекуле или ионе переход электронов с более высокого энергетического уровня на более низкий приводит к испусканию излучения с совершенно определённой длиной волны, определяемой фундаментальными константами. Если эти константы изменятся, то изменятся и свойства атомов во всей Вселенной.
Простой факт: именно скромный атом лежит в основе всего известного нам вещества во Вселенной — от обычного газообразного водорода до человека, планет, звёзд и т.д. Все, что состоит из обычной материи в нашей Вселенной — твёрдое, жидкое или газообразное — состоит из атомов. Даже плазма, возникающая в условиях очень высоких энергий или в разреженных глубинах межгалактического пространства, — это просто атомы, лишённые одного или нескольких электронов. Атомы сами по себе очень простые образования, но даже при таких простых свойствах они могут собираться в сложные комбинации, которые просто поражают воображение.
Поведение атомов поистине удивительно. Рассмотрим следующие факты:
Они состоят из небольшого массивного положительно заряженного ядра, вокруг которого вращается большое маломассивное рассеянное облако отрицательно заряженных электронов.
При приближении друг к другу атомы поляризуются и притягиваются, в результате чего они либо обмениваются электронами (ковалентно), либо один атом отбирает у другого один или несколько электронов (ионно).
Когда несколько атомов связываются друг с другом, они могут образовывать молекулы (ковалентно) или соли (ионно), которые могут быть как простыми, состоящими всего из двух атомов, так и сложными, состоящими из нескольких миллионов атомов.
Молекулы — примеры частиц вещества, связанных в сложные конфигурации, — приобретают такие формы и структуры в основном благодаря электромагнитным силам, существующим между входящими в их состав атомами и электронами. Разнообразие доступных структур практически безгранично.
Существует два ключа к пониманию того, как взаимодействуют атомы.
Каждый атом состоит из электрически заряженных компонентов: положительно заряженного ядра и ряда отрицательно заряженных электронов. Даже когда заряды статичны, они создают электрические поля, а когда заряды находятся в движении, они создают магнитные поля. В результате каждый существующий атом может стать электрически поляризованным при попадании в электрическое поле, а каждый существующий атом может стать намагниченным при воздействии магнитного поля.
Электроны, вращающиеся вокруг атома, будут занимать самый низкий доступный энергетический уровень. Хотя электрон может находиться в любой точке пространства в пределах примерно 0,1 нанометра от атомного ядра, он может занимать только определённый набор значений энергии, диктуемый правилами квантовой механики. Распределения вероятности нахождения электронов в зависимости от энергетического уровня также определяются правилами квантовой механики и подчиняются определённому распределению вероятности, которое однозначно вычисляется для каждого типа атомов с любым произвольным числом связанных с ними электронов.
Уровни энергии и волновые функции электронов, соответствующие различным состояниям в атоме водорода (хотя эти конфигурации чрезвычайно похожи у всех атомов). Уровни энергии квантованы в кратных значениях постоянной Планка, но размеры орбиталей и атомов определяются энергией основного состояния и массой электрона. В силу принципа исключения Паули на каждом из этих энергетических уровней могут находиться только два электрона, с одним верхним и одним нижним спином, в то время как другие электроны должны занимать более высокие и объёмные орбитали. При переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий необходимо изменить тип орбитали, на которой находится электрон, если он собирается испустить только один фотон, иначе он нарушит определённые законы сохранения.
В очень хорошем приближении наше представление о материи во Вселенной, заключающиеся в том, что она состоит из атомов с тяжёлым, положительно заряженным ядром и лёгкими, отрицательными зарядами вокруг него, которые поляризуются в ответ на электрические поля и намагничиваются в ответ на магнитные поля, которые могут обмениваться (ионно) или делиться (ковалентно) электронами с другими атомами, образуя связи, вызывая поляризацию и намагничивание и воздействуя на другие атомы вокруг себя, может объяснить практически всё в нашей привычной, повседневной жизни.
Атомы соединяются друг с другом, образуя молекулы: связанные состояния атомов, которые складываются в почти бесчисленное множество конфигураций и могут взаимодействовать друг с другом самыми разнообразными способами. Соедините вместе большое количество аминокислот — и вы получите белок, способный выполнять ряд важных биохимических функций. Добавьте к белку ион — и вы получите фермент, способный изменять структуру связей в различных молекулах.
А если выстроить цепочку нуклеиновых кислот в правильном порядке, то можно закодировать как создание произвольного количества белков и ферментов, так и создание копий самого себя. При правильной конфигурации собранный набор атомов будет составлять живой организм.
Хотя человек состоит из клеток, на более фундаментальном уровне мы состоим из атомов. Всего в человеческом теле насчитывается около ~1028 атомов, по количеству в нас больше всего водорода, а по массе — кислорода и углерода.
Если бы всё человеческие знания когда-нибудь были уничтожены в результате грандиозного апокалипсиса, но остались бы выжившие разумные люди, то простая передача им знаний об атомах помогла бы им не только разобраться в окружающем мире, но и начать путь к восстановлению законов физики и всего комплекса поведения материи.
Знание об атомах очень быстро приведёт к реконструкции периодической таблицы. Понимание того, что в микроскопическом мире есть, на что посмотреть, привело к открытию клеток, органелл, а затем и молекул и их атомных составляющих. Химические реакции между молекулами и связанные с ними изменения конфигураций привели к открытию как способов хранения энергии, так и способов её высвобождения, как биологических, так и неорганических.
То, на что у человеческой цивилизации ушли сотни тысяч лет, может быть открыто за одну человеческую жизнь, и это даст увлекательные намёки на будущее, когда будут открыты такие свойства, как радиоактивность или возможности взаимодействия света и материи.
Периодическая таблица элементов отсортирована таким образом (по периодам, напоминающим строки, и группам, напоминающим столбцы) из-за количества свободных/занятых валентных электронов, что является фактором номер один, определяющим химические свойства каждого атома. Атомы могут соединяться в молекулы в огромном количестве, но именно электронная структура каждого из них в первую очередь определяет, какие конфигурации возможны, вероятны и энергетически благоприятны. До 2003 г. висмут считался самым тяжёлым стабильным элементом, а сегодня мы знаем, что он нестабилен по своей природе.
Но атом — это ещё и достаточный ключ к выходу за рамки дальтоновского представления о мире. Открытие того, что атомы могут иметь разную массу, но при этом сохранять свои элементарные свойства, привело бы не только к открытию изотопов, но и помогло бы исследователям обнаружить, что атомные ядра состоят из двух различных типов частиц: протонов (с положительным зарядом) и (незаряжённых) нейтронов.
Это более глубокое открытие, чем может показаться на первый взгляд. Внутри атомного ядра существуют два типа составных частиц с почти, но не совсем одинаковыми массами, причём более лёгкая имеет положительный заряд, а более тяжёлая — нейтральный. Вокруг всего ядра вращаются электроны — частицы, имеющие одинаковый с протоном заряд и меньшую массу, чем разница масс протона и нейтрона внутри ядра.
Если взять свободный протон, то он будет стабилен. Если взять свободный электрон, то он тоже будет стабильным. А если взять свободный нейтрон, то он не будет стабильным, а распадётся на протон, электрон и (возможно) третью, нейтральную частицу.
Схематическая иллюстрация ядерного бета-распада в массивном атомном ядре. Бета-распад — это распад, протекающий через слабые взаимодействия с превращением нейтрона в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут, но связанные нейтроны могут быть стабильными до тех пор, пока мы их измеряем.
Это небольшое осознание, внезапно пришедшее в голову, могло бы научить вас огромному количеству знаний о фундаментальной природе реальности.
Во-первых, оно сразу же подскажет вам, что между протонами и/или нейтронами должно существовать какое-то дополнительное взаимодействие, отличное от электромагнитной. Например, существование дейтерия (изотопа водорода с 1 протоном и 1 нейтроном) говорит нам о том, что между протонами и нейтронами существует некая сила притяжения, которую нельзя объяснить ни электромагнетизмом (поскольку нейтроны нейтральны), ни гравитацией (поскольку гравитационные силы слишком слабы, чтобы объяснить такое связывание). Должна существовать какая-то ядерная сила, связывающая нейтроны.
Эта сила должна, по крайней мере, на некотором небольшом расстоянии преодолевать электростатическое отталкивание между протонами внутри одного атомного ядра: другими словами, она должна быть сильнее, чем даже (достаточно сильная сама по себе) сила отталкивания между двумя протонами. Поскольку стабильных атомных ядер, состоящих только из двух (или более) протонов, не существует, нейтрон должен играть определённую роль в стабильности ядра.
Другими словами, уже одно открытие того, что атомные ядра содержат и протоны, и нейтроны, делает необходимым существование сильного ядерного взаимодействия — или чего-то очень похожего на неё.
Отдельные протоны и нейтроны могут быть «бесцветными» образованиями, но кварки, входящие в их состав, «цветные». Глюоны могут обмениваться не только между отдельными глюонами внутри протона или нейтрона, но и в комбинациях между протонами и нейтронами, что приводит к ядерному связыванию. Однако каждый такой обмен должен подчиняться полному набору квантовых правил.
Кроме того, как только человек обнаружит, что свободный нейтрон может распадаться, или обнаружит радиоактивный бета-распад, или обнаружит, что звёзды питаются за счёт ядерного синтеза в их ядрах, он сразу же сможет сделать вывод о существовании четвёртого фундаментального взаимодействия в дополнение к гравитации, электромагнетизму и сильному ядерному взаимодействию: того, что мы называем слабым ядерным взаимодействием.
Должно существовать взаимодействие, позволяющее взять несколько протонов, слить их вместе, а затем перевести в состояние, менее массивное, чем исходные два протона, где один протон превращается как минимум в нейтрон и позитрон (антиэлектрон), и при этом сохраняются энергия и импульс. Способность превращать один тип частиц в другой, отличающийся от «суммы частей» или от «создания равных количеств материи и антиматерии», — это то, чего нельзя достичь при помощи трёх других взаимодействий. Просто изучая атомы, можно сделать вывод о существовании слабого ядерного взаимодействия.
Наиболее простая и низкоэнергетическая версия протон-протонной цепочки, в которой из исходного водородного топлива получается гелий-4. Отметим, что только при слиянии дейтерия и протона из водорода получается гелий; во всех остальных реакциях либо образуется водород, либо гелий получается из других изотопов гелия.
Для того чтобы существовала Вселенная с большим количеством типов атомов, необходимо, чтобы наша реальность обладала определённым набором свойств.
Протон и нейтрон должны быть очень близки по массе: настолько близки, что ц связанного состояния протона и нейтрона, т.е. масса дейтрона должна быть меньше, чем у двух протонов по отдельности.
Электрон должен быть менее массивным, чем разница масс протона и нейтрона, иначе нейтрон был бы абсолютно стабилен.
Более того, электрон должен быть намного, намного легче протона или нейтрона. Если бы он имел сравнимую массу, то атомы были бы не только намного меньше (вместе со всеми связанными с ними структурами, построенными из атомов), но электрон проводил бы так много времени внутри атомного ядра, что спонтанная реакция слияния протона с электроном с образованием нейтрона была бы быстрой и вероятной, а соседние атомы спонтанно сливались бы друг с другом даже в условиях комнатной температуры. (Мы видим это на примере мюонного водорода, созданного в лаборатории).
И, наконец, уровни энергии, достигаемые в звёздах, должны быть достаточными для того, чтобы атомные ядра внутри них подверглись ядерному синтезу, но не может быть так, что всё более тяжёлые атомные ядра всегда более стабильны, иначе мы получили бы Вселенную, заполненную сверхтяжёлыми и сверхкрупными атомными ядрами.
Существование Вселенной, богатой разнообразными атомами, но с преобладанием водорода, требует наличия всех этих факторов.
Анатомия очень массивной звезды на протяжении всей её жизни, кульминацией которой является сверхновая типа II (с коллапсом ядра), когда в ядре заканчивается ядерное топливо. На последней стадии термоядерного синтеза, как правило, происходит горение кремния, в результате чего в ядре на короткое время образуется железо и железоподобные элементы, после чего возникает сверхновая. Наиболее массивные сверхновые с коллапсом ядра обычно приводят к образованию чёрных дыр, а менее массивные — только нейтронных звёзд.
Если бы разумное существо из другой Вселенной впервые столкнулось с нами и нашей реальностью, то, возможно, первое, что мы хотели бы донести до него, — это то, что мы состоим из атомов. Что внутри всего, что состоит из материи в этой Вселенной, есть крошечные, маленькие образования — атомы, которые сохраняют основные свойства, присущие только данному виду атомов. Можно варьировать массу ядер внутри этих атомов и получить один и тот же вид атома, но если изменить их заряд, то получится совершенно другой атом. И что все эти атомы вращаются по орбитам с таким количеством отрицательно заряженных электронов, которое необходимо для точного уравновешивания положительного заряда в ядре.
Изучая поведение и взаимодействие этих атомов, мы можем понять практически все молекулярные и макроскопические явления, возникающие на их основе. Рассматривая внутренние компоненты этих атомов и то, как они собираются, мы можем узнать о фундаментальных частицах, силах и взаимодействиях, которые лежат в основе нашей реальности. Если бы существовала только одна информация, которую можно было бы передать выжившей группе людей в постапокалиптическом мире, то, возможно, ни одна информация не была бы столь ценной, как тот факт, что все мы состоим из атомов. В каком-то смысле это самое чудесное свойство из всех, относящихся к нашей Вселенной.
