Как увидеть атомы и субатомные частицы? Что будет, если уменьшиться до атомных размеров?
Весь наш материальный мир состоит из атомов. Атомы — это буквально база, основа всего того, что нас окружает. За последние 100 лет ученые очень много спорили о том, что же из себя представляют атомы, как они выглядят в действительности. Наверняка вы знаете о том, что было разработано несколько различных моделей атомов («пудинг с изюмом», планетарная, квантовая и др.). Но раз уж атомы действительно существуют и из них состоит наш мир, то как они выглядят на самом деле за пределами любых схем и моделей? Можем ли мы их вообще увидеть и каким бы мы видели мир, если б смогли уменьшиться до размеров атома?
О том, что атомы вообще существуют мы знаем из различных экспериментов. Например, одним из достоверных экспериментальных подтверждений того, что атомы реально существуют, стал опыт Штерна (1911 г.). И всё‑таки очень бы хотелось не просто знать о существовании атомов, как о голом факте, но хотя бы одним глазком заглянуть в атомный или может быть даже субатомный мир.
До недавнего времени считалось, что «сфотографировать» или вообще как‑то реально увидеть атомы нельзя, так как они настолько малы, что любое фотографирование на таких масштабах по определению невозможно никакой техникой. Мы не можем фотографировать атомы в обычном смысле слова «фотографировать», так как мы не можем схватывать отраженный от атомов свет, потому что длина волны видимого света находится далеко за пределами размеров даже самых крупных атомов. То есть атомы в тысячи раз меньше волны видимого света, поэтому никакое устройство не способно хоть как‑то зафиксировать, «поймать» атом, как фотоаппарат фиксирует наше селфи.
Однако мы живем в удивительное время: «фотографии» атомов уже существуют. В Интернете можно найти фотографии атомов, сделанные при помощи сканирующего туннельного микроскопа, птихографии, а недавно появилась новость, что ученым всё‑таки удалось сделать фото атома цифровой камерой.
Всё это конечно впечатляет, но не очень. Дело в том, что, например, туннельные микроскопы не ловят отраженный свет, а прощупывают некую поверхность сверхтонкой иголочкой, находящейся под напряжением. Таким образом, мы как бы не смотрим на атом, а щупаем его, создавая как бы вслепую наощупь некий образ, и на выходе получается не столько фотография, сколько некий чёрно‑белый «образ», который микроскоп смог «нащупать» своей иголочкой. Более современные фото тоже весьма размытые и невнятные.
А хочется вот прям увидеть атом как он есть! А вот бы еще можно было не только сфотографировать атомы, но и записать видео того, что происходит на субатомном уровне, как частицы себя ведут, как двигаются и взаимодействуют друг с другом! Но вот тут‑то и начинается самое интересное.
Дело в том что, как мы знаем из Квантовой физики, в микромире действуют совершенно иные законы. Атомы — это не «шарики» вещества, которые просто хаотически летают в пространстве туда‑сюда, сцепляясь и расцепляясь друг с другом. На атомном уровне, а тем более на уровне субатомных частиц мы бы увидели то, что повергло бы нас в шок. Например, мы бы увидели как частицы могут проходить через несколько щелей или отверстий одновременно, сохраняя свою целостность, не разделяясь и никак не раздваиваясь при этом. Мы бы также увидели, как некоторые частицы, буквально появляются из ниоткуда и тут же уходят в никуда («виртуальные частицы»). Кроме того, мы бы могли своими глазами увидеть квантовые поля, из которых, как считается, в общем‑то и состоит наш мир. Кстати, свет, как известно, совмещая в себе свойства как частицы, так и волны, является квантовым полем. То есть увидев квантовое поле, мы бы поняли, как в одно целое соединяются казалось бы противоречащие друг друг явления — частицы и волны.
Ну хорошо, мы не можем ни сфотографировать, ни увидеть атомы во всей красе никаким микроскопом, но физики же как‑то изучают их свойства, строят сложнейшие формулы и теории. Значит у физиков должен быть ну хоть какой‑то ответ на вопрос о том, что мы увидим, если сами уменьшимся до атомного уровня? Но тут опять мы натыкаемся на ряд проблем. Если человека уменьшить до атомов, то из чего тогда будет состоять сам такой человек? Он должен состоять из чего‑то, что сильно меньше атомов и всех известных субатомных частиц. Это уже проблема.
Ну допустим мы всё‑таки смогли уменьшиться до атомных размеров. Что мы видим? Как уже было сказано выше, мы можем вообще хоть что‑то видеть, потому что имеем в глазах светочувствительные рецепторы (палочки и колбочки), которые воспринимают свет в определенном диапазоне длины волны.
Длина волны света в видимом диапазоне в нанометрах
Если длина волны света выходит за данный диапазон, то воспринять её зрением мы не можем. Но раз мы уменьшили себя, то значит уменьшились и наши рецепторы и теперь мы не можем видеть волны, которые значительно больше нас самих. То есть мы перестанем видеть в обычном видимом свете, как видит человек стандартных размеров. Мы перестанем видеть большинство цветов, зато будем видеть рентгеновское излучение. Но на нашей планете в рентгеновском свете темно. Поэтому уменьшившись хотя бы до размеров атома, мы окажемся в полной темноте. Но даже если мы возьмем с собой какой‑нибудь рентгеновский фонарик, то вследствие эффекта комптоновского рассеяния на таких масштабах каждый фотон, летящий в нас, чтобы мы могли что‑то увидеть, будет нас буквально сносить с места, сбивать с ног. Более того, информацию для зрения несет как правило не один фотон, а несколько. То есть мы будем просто расстреляны фотонами так, что нас будет швырять из стороны в сторону и вряд ли мы сможем что‑то внятное видеть в таком состоянии.
Таким образом, в микромире процесс зрения, способность к зрению, зрение как явление вообще разрушается, перестает иметь смысл, становится физически невозможным и бессмысленным. Механика этого «разрушения» понятна, как описано выше, но удивительно, что мир вообще устроен именно так. То есть атомы и субатомные частицы есть (атомы даже можно «пощупать»), на микроуровне что‑то реально происходит, но то, что там происходит не подразумевает видение, зрения, не подразумевает саму возможность видения или вообще зрение как явление и процесс.
Да, мы не видим атомы и субатомные частицы. Но это только полбеды. Мы не видим также и молекулы, не видим волны и поля и много чего еще. При этом многое из того, что мы видим — это лишь иллюзия нашего восприятия (как тот же цвет например). Но что из себя представляет объективный мир на самом деле, вне нашего восприятия? Каким мы бы увидели мир, если бы могли видеть и воспринимать вообще всё, что есть сразу таким какое оно есть само по себе? Какова ты, объективная реальность? Остается только философствовать или надеяться на новые открытия в физике.
Мой научно‑философский проект
