Научный взгляд на устройство вселенной

114 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
ВЕЩЕСТВА
мы можем записать уравнение, описывающее волновое решение 
для электрона, и это уравнение даст нам вероятность нахождения 
электрона в конкретной точке пространства.
Еще одно свойство атома, замечательное с точки зрения клас-
сической ньютоновой физики, заключается в том, что электроны 
в атоме могут занимать только фиксированные квантованные 
энергетические уровни. Орбиты электронов зависят от их энергий, 
и конкретные энергетические уровни и связанные с ними вероят-
ности должны соответствовать правилам квантовой механики.
Без квантованных уровней электронов невозможно разобрать-
ся в атоме. В начале XX в. физики начали понимать, что классиче-
ские правила придется радикально пересматривать: дело в том, 
что с точки зрения классической физики электроны, обращающи-
еся вокруг ядра, нестабильны. По идее они должны были бы из-
лучать энергию и быстро падать на ядро. Такая система не только 
ничем не напоминала бы атом, но и не допускала бы существо-
вание структуры вещества, основанной на стабильных атомах, 
какими мы их знаем.
Нильс Бор в 1912 г. оказался перед непростым выбором — от-
казаться от классической физики или отказаться от веры в досто-
верность наблюдаемых данных. Бор мудро выбрал первый вариант 
и предположил, что на малых расстояниях, разделяющих электроны 
в атоме, классические законы неприменимы. Этот вывод стал одним 
из ключевых факторов, приведших к созданию квантовой физики.
Отказавшись от законов Ньютона, Бор смог постулировать, 
что электроны в атоме могут занимать только фиксированные 
энергетические уровни в соответствии с предложенным им ус-
ловием квантования; условие это было связано с величиной, 
известной как 
орбитальный угловой момент
электрона (он же 
момент импульса). По Бору, принципу квантования подчинялось 
все в атомном масштабе. Вообще, в этом масштабе действовали 
совсем иные правила, нежели те, что применимы в привычном 
для нас макроскопическом мире и по которым, к примеру, Земля 
обращается вокруг Солнца.
Технически квантовая механика применима и в макроскопи-
ческих системах. Но ее действие здесь слишком слабо, чтобы мы 

ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 115
смогли его измерить или хотя бы заметить. Когда вы наблюдаете 
движение Земли — или, вообще говоря, любого другого макроско-
пического объекта по орбите, — квантово-механическими эффек-
тами можно пренебречь. В подобных системах они усредняются 
таким образом, что любое предсказание, сделанное на основе 
квантовой механики, полностью совпадает с предсказанием, сде-
ланным на базе классической физики. Как уже говорилось в гла-
ве 1, для измерений в макроскопическом масштабе классические 
предположения, как правило, дают чрезвычайно хорошие резуль-
таты — настолько хорошие, что заметить действие законов кван-
товой механики, которые лежат в основе всего этого, невозможно. 
Проведем следующую аналогию. Текст и изображения на экране 
компьютера даже с самым хорошим разрешением состоят из то-
чек; точки — аналог квантово-механической атомной структуры. 
Но нам, как правило, достаточно видеть лишь текст и изображения.
Квантовая механика, безусловно, представляет собой измене-
ние научной парадигмы, однако очевидным оно становится толь-
ко в атомном масштабе. Несмотря на радикальность предложен-
ной модели, Бору не пришлось отказываться от всего, что было 
прежде. Он вовсе не считал, что физика Ньютона неверна; он 
всего лишь предположил, что к электронам в атоме классические 
законы механики неприменимы. В макроскопическом масшта-
бе вещество состоит из такого количества атомов, что квантовые 
эффекты выделить невозможно, и в целом оно подчиняется зако-
нам Ньютона, по крайней мере на том уровне, на котором можно 
оценить правильность сделанных на их основе предположений. 
Ньютоновы законы верны, и мы признаем их справедливость в тех 
масштабах, где они применимы. Однако на атомном уровне зако-
ны Ньютона с неизбежностью отказывают — и отказывают весь-
ма наглядным образом, который и позволил ученым разработать 
квантовую механику.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Продолжая наше путешествие по линейке масштабов вниз, в глу-
бину атомного ядра, мы еще не раз увидим новые определения, 

116 МАСШТАБИРОВАНИЕ 
ВЕЩЕСТВА
новые базовые компоненты и даже новые физические законы, 
но фундаментальная квантово-механическая парадигма останет-
ся нетронутой.
Внутри атома мы первым делом рассмотрим элементы его 
внутренней структуры с размерами около 10 фемтометров, 
что соответствует одной стотысячной нанометра. Насколько нам 
удалось установить на сегодняшний день, электроны действи-
тельно фундаментальны,то есть вроде бы не состоят из каких бы 
то ни было иных, более мелких компонентов. Ядро, с другой сторо-
ны, фундаментальным объектом не является. Оно состоит из более 
мелких элементов, известных как нуклоны, или субъядерные ча-
стицы. Нуклоны бывают двух типов: протоны и нейтроны. Прото-
ны обладают положительным электрическим зарядом, а нейтроны 
электрически нейтральны, то есть не имеют ни положительного, 
ни отрицательного заряда.
Чтобы разобраться в природе протонов и нейтронов, придет-
ся признать, что они тоже не фундаментальны. Великий физик-
ядерщик и популяризатор науки Джордж Гамов так обрадовал-
ся открытию протонов и нейтронов, что решил, что достигнута 
окончательная «вторая граница»; он не считал, что возможны 
еще какие-то субструктуры. Вот его слова:
«Вместо довольно большого числа “неделимых” атомов класси-
ческой физики мы получили всего лишь три различных сущности: 
протоны, электроны и нейтроны… Таким образом похоже, что мы 
действительно достигли дна в поиске базовых элементов, из кото-
рых сформировано все вещество».
Оказалось, что ученый немного поторопился. Субструктуры — 
более мелкие компоненты, чем протон и нейтрон — все же суще-
ствуют, но обнаружить их было непросто. Должны были появиться 
технические средства, позволяющие изучать расстояния, мень-
шие, чем размеры протона и нейтрона; нужны были более высо-
кие энергии или более миниатюрные датчики, чем те, что имелись 
в распоряжении физиков во времена, когда Гамов сделал свое не-
точное предсказание.
Если бы мы могли проникнуть в ядро и увидеть нуклоны, раз-
мер которых примерно соответствует одному ферми, что при-

ВОЛШЕБНАЯ ЭКСКУРСИЯ В ГЛУБЬ МАТЕРИИ 117
мерно в десять раз меньше размеров самого ядра, мы увидели бы 
также объекты, существование которых внутри нуклонов пред-
сказали Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг. Гелл-Манн назвал 
эти единицы субструктуры кварками, позаимствовав, по соб-
ственному утверждению, это слово из романа Джеймса Джойса 
«Поминки по Финнегану», где в одном из эпизодов звучит фраза: 
«Три кварка для мастера Марка!» Нижние и верхние кварки в ну-
клонах действительно представляют собой фундаментальные 
объекты меньших размеров (два 

жүктеу/скачать 8,11 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: