Чердак. Только физика, только хардкор! - Дмитрий Побединский

Как видите, не все подвластно нашему взору, и в микромире обычный свет, благодаря которому мы видим то, что нас окружает, никак не может нам помочь. К счастью, есть и другие методы, благодаря которым удается убедиться в существовании атомов.

6.5.1. Как получить атомы размером с грейпфрут?

Мы давно уже привыкли, что атомы, из которых состоят все окружающие нас тела, очень маленькие. Диаметром они меньше одной миллионной миллиметра, и по отдельности видны только в электронные и зондовые микроскопы. Но ни одна теория не ограничивает размеры атомов. И действительно, можно создать атомы размером с вишню, яблоко или даже грейпфрут! Так как это сделать?

Давно известно, что электрон в атоме может находиться на определенных энергетических уровнях, которые обозначаются квантовым числом n. От этого числа зависит энергия электрона и, грубо говоря, радиус его орбиты, если считать, что он движется по окружности вокруг ядра.

В природе встречаются атомы с небольшими значениями n. И их размеры действительно невелики. Однако можно перекинуть электрон на уровень с n=1000, облучив его квантом света с тонко подобранной энергией и частотой. Здесь самое главное не переборщить, потому что при больших n уровни располагаются очень близко к самой крайней границе энергии, по достижении которой электрон вообще улетает из атома.

Так вот. Радиус орбиты зависит от квадрата n, поэтому его размеры увеличатся в 1 000 000 раз по сравнению с основным состоянием. Получается, что если атом был размером в одну десятимиллионную миллиметра, то в состоянии с n=1000 он будет размером в одну десятую миллиметра. Если его перевести в состояние с n=10000, то его диаметр будет 1 см, как у небольшой вишни. Если перевести его в состояние с n=100000, то это будет уже 100 см, в состоянии с n=32000 будет 10 см.

На данный момент созданы атомы с n=1100, но это только техническое ограничение.

Такие атомы называют ридберговскими атомами. Они обладают нереальным размером, и в них можно зафиксировать, как электрон вращается вокруг ядра. Однако такие атомы очень нестабильны. Так как электрон находится очень далеко от ядра, то любое столкновение с другим атомом, любой попавший на него фотон будут приводить к выбиванию электрона из атомов, и такое состояние будет потеряно. Так что, несмотря на то, что создать такие атомы можно, потрогать их не получится. Да и увидеть тоже, ведь для этого атом нужно осветить, а при освещении любые фотоны будут не отражаться, а поглощаться.

Интересно то, что ученые нашли такие атомы в далеких космических туманностях. Там они могут летать длительное время без столкновений и существовать в таком состоянии достаточно долго.

Забавно, но в таком случае возможна ситуация – атом внутри атома.

Итак, теперь мы знаем, что такие микрообъекты, как атомы, при определенных условиях могут быть достаточно крупными. Так что их и микро-то не назовешь. А вот насколько сильно мы можем их уменьшить? Каков их минимальный размер?

Что касается полноценного атома, то для любого из них можно рассчитать минимальный радиус. Он будет достигаться, когда все электроны заняли самые низкие энергетические состояния. Например, для атома водорода в состоянии n=1 радиус 5,3 × 10-11 метров. Согласно квантовым представлениям, чтобы перейти в состояние с еще меньшей энергией, ему необходимо излучить квант, порцию определенной энергии, однако она уже больше, чем у него имеется в наличии. Поэтому он остается на этой орбите надолго.

Но если рассматривать только отдельное ядро, то с уменьшением его размеров будут возникать проблемы. Это можно сделать по-разному. Например, мы будем сжимать протон с помощью других протонов, которые окружат наш бедненький экспериментальный и будут давить со всех сторон. Тогда, начиная с какого-то момента, протоны превратятся в нейтроны, хотя это не столь важно, и, приблизившись на слишком маленькое расстояние друг к другу, будут испытывать настолько колоссальные силы отталкивания, что дальнейшее сжатие будет практически невозможным. Будет очень сложно найти такую силу, которая сможет сжать такую материю. Но во вселенной такую силу можно найти – это сила гравитации при сжатии звезды в черную дыру. Когда звезда достаточно велика и сила гравитации может перевесить силу отталкивания нейтронов, происходит дальнейшее сжатие и гравитация становится еще больше. Возникает неконтролируемое сжатие вплоть до нулевых размеров. Точка, в которую все сожмется, называется сингулярностью, и радиус у нее – 0. Вокруг нее и возникает черная дыра.

Так что не увлекайтесь со сжатием атомов, а то получите не самый дружелюбный объект во вселенной.

Получается, при сжатии атомов мы обнаруживаем, что их минимальный размер – 0 м? Но это очень странно. И все физики тоже так считают. Самым вразумительным объяснением этого факта является то, что гравитация на малых размерах ведет себя как-то по-другому, не как в наших законах и формулах. На микроскопических расстояниях хорошо работает квантовая теория поля, но объединить ее с ныне существующей теорией гравитации ну очень сложно. Как раз это пытается сделать теория струн и другие альтернативные теории.

Кстати, квантовая физика определяет вполне разумный минимальный размер чего-либо – это планковская длина. Она равняется 1,6·1035 метра. Можно считать, что это квант пространства, что не существует объектов размером меньше этого и физические законы не применимы на более мелких масштабах. Но не забывайте, что эта величина – продукт современных физических теорий, которые далеко не совершенны. Так что возможно, минимальный размер совсем другой, если вообще существует.

6.6. Что такое бозон Хиггса?

Эта частица была предсказана более 50 лет назад, ее искали десятки лет в самых современных лабораториях планеты, были задействованы лучшие ученые всего земного шара. И, наконец, чуть больше трех лет назад они заявили: да, мы его нашли, он существует!

Но вот прошло три года, и что? Как-то ничего особо не изменилось, суперизобретений не появилось. Зарплаты ученых по-прежнему меньше, чем у футболистов… Зачем же вообще тогда нужен нам этот бозон?

Все дело в том, что существует свод законов, очень хорошо описывающих устройство нашего мира на микроуровне – его называют Стандартной моделью. Но для полной уверенности в этой модели оставалось последнее экспериментальное доказательство – нахождение бозона Хиггса. По сути – это последний кусочек пазла, вишенка на торте, недостающий носок из гардероба, последний мазок на картине. Открытие этой частицы развеяло все сомнения в правильности современной физики, а они были. Ученые очень довольны, они вздохнули с облегчением и с уверенностью принялись за дальнейшую работу. Без этого дальнейшее развитие науки наверняка шло бы намного медленней. Так что в глобальном смысле – это большое достижение. Без бозона Хиггса наука буксовала бы.

И сам бозон Хиггса – достаточно интересный персонаж. Он подтверждает существование поля Хиггса, благодаря которому у всех тел появляется масса. И правда, что такое масса тела и откуда она берется?

Чтобы понять важность бозона Хиггса, представим себе… ну, например, всю вселенную. Помимо звезд, планет, галактик в ней есть огромное количество различных полей – гравитационные, электромагнитные… Эти поля невидимы, неосязаемы. Но они пронизывают насквозь нас самих, все окружающие тела и могут влиять на них, на их движение (само собой, гравитация влияет на движение планет, звезд, электромагнитное поле влияет на движение зарядов). Можно сказать, что вселенная словно погружена в океан из всяких полей, мы, как рыбы, перемещаемся в них и давно уже к ним привыкли.

Но что, если существует поле, которого мы никак не замечаем, потому что воздействие его довольно необычное? И оказывается, такое незаметное поле есть – это поле Хиггса.

Вот тут нужно пофантазировать. Это поле Хиггса словно камера на дороге, словно инстинкт самосохранения для частиц, гибэдэдэшник в кустах, ограничитель скорости. Оказывается, если бы этого поля не было, то все частицы во вселенной летали бы с огромными скоростями, а точнее, с самой максимальной скоростью – скоростью света. Но если оно есть…

Некоторые частицы, например фотоны, не замечают этого поля, они вообще пофигисты, лихачи. И гоняют всегда со скоростью света в свое удовольствие. Но вот, к примеру, электроны, протоны чувствуют это поле, взаимодействуют с ним. И из-за этого как бы тормозятся, становятся тяжелыми. Тут можно провести аналогию с пенопластовыми шариками. Если их высыпать на стол, то от малейшего дуновения они разлетаются в разные стороны как пушинки. Но на поверхности воды они будут двигаться медленно, словно вода сообщает им какую-то дополнительную массу. Так же и поле Хиггса действует на частицы – как бы утяжеляет их, не дает двигаться слишком быстро.