Атомы, имеющие массивное заряженное ядро, вокруг которого вращаются крошечные электроны, — это такие простые объекты. Чудесным образом из них состоит все, что мы знаем
Автор: Итан Сигел
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 серии крошечных компонентов, которые, тем не менее, сохраняют свои важные, индивидуальные характеристики, позволяющие им собираться вместе и составлять все, что мы видим, знаем, с чем сталкиваемся и что переживаем. То, что начиналось как простая мысль, приписываемая Демокриту из Абдеры, со временем переросло в атомистический взгляд на Вселенную.
Хотя буквальное греческое слово «ἄτομος», означающее «неразделимый», не совсем применимо к атомам, поскольку они состоят из протонов, нейтронов и электронов, любая попытка «разделить» атом дальше приводит к тому, что он теряет свою сущность: тот факт, что это определенный, конкретный элемент в периодической таблице. Именно это существенное свойство позволяет ему создавать все сложные структуры, существующие в нашей наблюдаемой реальности: количество протонов, содержащихся в его атомном ядре.
Атом — это такая маленькая вещь, что если бы вы подсчитали общее количество атомов, содержащихся в одном человеческом теле, то их оказалось бы более чем в миллион раз больше, чем количество звезд во всей видимой Вселенной. И все же сам факт того, что мы состоим из атомов, является, возможно, величайшим чудом во всей Вселенной.
Это простой факт, что скромный атом лежит в основе всей материи, известной нам во Вселенной, от простого старого водородного газа до людей, планет, звезд и многого другого. Все, что состоит из обычной материи в нашей Вселенной — твердой, жидкой или газообразной — состоит из атомов. Даже плазма, возникающая в условиях очень высоких энергий или в разреженных глубинах межгалактического пространства, — это просто атомы, лишенные одного или нескольких электронов. Атомы сами по себе очень простые образования, но даже с такими простыми свойствами они могут собираться в сложные комбинации, которые поражают воображение.
Поведение атомов поистине удивительно. Рассмотрим следующее.
- Они состоят из маленького, массивного, положительно заряженного ядра, вокруг которого вращается большое, маломассивное, рассеянное облако отрицательно заряженных электронов.
- Когда вы приближаете их друг к другу, атомы поляризуют друг друга 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 вместе, они могут образовывать молекулы (ковалентно) или соли (ионно), которые могут быть как простыми, когда только два атома связаны вместе, так и сложными, когда несколько миллионов атомов связаны вместе.
Есть два ключа к пониманию того, как взаимодействуют атомы.
Понимание того, что 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, если его поместить в присутствие электрического поля, и каждый существующий атом может стать намагниченным, если его подвергнуть воздействию магнитного поля.
Кроме того, следует понимать, что электроны на орбите вокруг атома будут занимать самый низкий доступный энергетический уровень. Хотя электрон может находиться в любом месте пространства в пределах примерно 0,1 нанометра от атомного ядра (больше или меньше), он может занимать только определенный набор значений энергии, как диктуют правила квантовой механики. Распределение вероятности нахождения этих электронов, зависящих от энергетического уровня, также определяется правилами квантовой механики и подчиняется определенному распределению вероятности, которое однозначно вычисляется для каждого типа атома с любым произвольным числом связанных с ним электронов.
В общем, материя во Вселенной выглядит так:
- она состоит из атомов,
- с тяжелым, положительно заряженным ядром и легкими отрицательными зарядами вокруг него,
- которые поляризуются в ответ на электрические поля и намагничиваются в ответ на магнитные поля,
- которые могут либо обмениваться (ионно), либо делиться (ковалентно) электронами с другими атомами,
- образуя связи, вызывая поляризацию и намагниченность и влияя на другие атомы вокруг них,
Вышенаписанное может объяснить почти все в нашей привычной, повседневной жизни.
Атомы собираются друг с другом, образуя молекулы: связанные состояния атомов, которые складываются в почти бесчисленные наборы конфигураций и могут затем взаимодействовать друг с другом различными 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 различных молекул.
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 образует живой организм.
Если все человеческие знания когда-нибудь будут уничтожены в результате грандиозного апокалипсиса, но останутся разумные выжившие, то простая передача им знаний об атомах поможет им не только разобраться в окружающем мире, но и начать путь к восстановлению законов физики и всего набора поведения материи.
Знание об атомах очень быстро привело бы к реконструкции периодической таблицы. Знание того, что в микроскопическом мире существуют «интересные» вещи, привело бы 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 ее высвобождения, как биологических, так и неорганических.
То, на что у человеческой цивилизации ушли сотни тысяч лет, может быть заново открыто за одну человеческую жизнь, и это принесет увлекательные намеки на большее, когда будут открыты такие свойства, как радиоактивность или возможности взаимодействия между светом и веществом.
Но атом также является достаточным ключом, чтобы вывести нас за пределы этого взгляда на мир. 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 (незаряженных) нейтронов.
Это более глубокое открытие, чем кажется на первый взгляд почти всем. Внутри атомного ядра существуют:
- два типа составных частиц,
- почти-но не совсем идентичных друг другу по массе,
- где более легкая имеет положительный заряд, а более тяжелая — нейтральный,
- и что все ядро вращается вокруг электронов: частиц, которые имеют равный и противоположный заряд, что и протон, и которые имеют меньшую массу, чем разница масс между протоном и нейтроном внутри ядра.
Если взять свободный протон, то он будет стабилен.
И если вы возьмете свободный электрон, он тоже будет стабилен.
А если взять свободный нейтрон, то он не будет стабильным, а распадется на протон, электрон и (возможно) третью, нейтральную частицу.
Это небольшое осознание, внезапно, научит вас огромному количеству знаний о фундаментальной природе реальности.
Во-первых, оно сразу же подскажет вам, что между протонами и/или нейтронами должна существовать какая-то дополнительная сила, отличная от электромагнитной. Существование дейтерия, например (изотопа водорода с 1 протоном и 1 нейтроном), говорит нам о том, что между протонами и нейтронами существует некая притягательная сила, которую нельзя объяснить ни электромагнетизмом (поскольку нейтроны нейтральны), ни гравитацией (поскольку гравитационная сила слишком слаба, чтобы объяснить это связывание). Должна существовать какая-то ядерная связывающая сила.
Эта сила должна, по крайней мере, на небольшом расстоянии преодолевать электростатическое отталкивание между протонами внутри одного атомного ядра: другими словами, это должна быть более серьезная ядерная сила, чем даже (довольно мощная сама по себе) сила отталкивания между двумя протонами. Поскольку не существует стабильных атомных ядер, состоящих только из двух (или более) протонов, нейтрон должен играть определенную роль в стабильности ядра.
Другими словами, только после открытия того, что атомные ядра содержат и протоны, и нейтроны, существование мощной ядерной силы — или чего-то очень похожего на нее — становится необходимостью.
Кроме того, как только кто-то:
- обнаруживает, что свободный нейтрон может распадаться,
- или обнаружит радиоактивный бета-распад,
- или обнаружит, что звезды питаются за счет ядерного синтеза в их ядрах,
из этого последует, что помимо гравитации, электромагнетизма и мощной ядерной силы существует четвертое фундаментальное взаимодействие — то, что мы называем слабой ядерной силой.
Каким-то образом должно происходить взаимодействие, позволяющее взять несколько протонов, слить их вместе, а затем преобразовать в состояние, которое менее массивно, чем исходные два протона, где один протон преобразуется по крайней мере в нейтрон и позитрон (антиэлектрон), и где энергия и импульс сохраняются. Способность превращать один тип частиц в другой, который отличается от «суммы частей» или от «создания равных количеств материи и антиматерии» — это то, что не может учесть ни одно из трех других взаимодействий. Просто изучая атомы, можно сделать вывод о существовании слабых ядерных сил.
Для того чтобы во Вселенной существовало множество типов атомов, необходимо, чтобы наша реальность обладала определенным набором свойств.
Протон и нейтрон должны быть очень близки по массе: настолько близки, что связанное состояние протона и нейтрона вместе — т.е. дейтрон — должно иметь меньшую массу, чем два протона по отдельности.
Электрон должен быть менее массивным, чем разница масс между протоном и нейтроном, иначе нейтрон был бы абсолютно стабилен.
Кроме того, электрон должен быть намного, намного легче протона или нейтрона. Если бы он имел сравнимую массу, атомы не только были бы 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 для получения нейтрона была бы быстрой и вероятной, и что соседние атомы спонтанно сливались бы вместе даже в условиях комнатной температуры. (Мы видим это на примере созданного в лаборатории мюонного водорода).
И, наконец, энергии, достигаемые в звездах, должны быть достаточными для того, чтобы атомные ядра внутри них подверглись ядерному синтезу, но не может быть так, что все более и более тяжелые атомные ядра всегда более стабильны, иначе мы получили бы Вселенную, заполненную сверхтяжелыми и сверхкрупными атомными ядрами.
Существование Вселенной, богатой разнообразными атомами, но с преобладанием водорода, требует учета всех этих факторов.
Если бы разумное существо из другой Вселенной впервые столкнулось с нами и нашей реальностью, возможно, самое первое, что мы хотели бы довести до его сведения, это то, что мы состоим из атомов. Внутри всего, что состоит из материи в этой Вселенной, есть крошечные, маленькие сущности — атомы, — которые все еще сохраняют основные свойства, присущие только данному виду атомов. Вы можете варьировать массу ядер внутри этих атомов и получить один и тот же вид атома, но если вы измените их заряд, то получите совершенно другой атом. И что все эти атомы вращаются по орбитам с количеством отрицательно заряженных электронов, необходимым для точного уравновешивания положительного заряда в ядре.
Изучая поведение и взаимодействие этих атомов, мы можем понять почти 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, 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.
Оригинал: Bigthink
