Эта история началась давно, когда я еще ходил в школу. Однажды на уроке физики я задал учительнице вопрос – «НатальПална, а как выглядит атом? Он круглый или сферический?» Я помню строгий взгляд Натальи Павловны, и то как она замешкалась на пару секунд. Что она ответила я напишу ниже, а сейчас объясню зачем я задал этот вопрос.
Дело в том, что накануне я провел много времени, просматривая книги по физике, которые ранее взял в школьной библиотеке. Я хотел узнать, как может выглядеть атом, если на него посмотреть. И используя всю бесконечную мудрость своего подросткового мозга, я реально поверил, что нашел ответ.
Была только одна деталь, которая все еще ускользала от меня: является ли атом двумерным (как круглый диск) или трехмерным (как шар).
А поскольку наша учительница по физике казалась мне умным и сведущим в науке человеком, я думал, что уж она-то точно знает правду. И я твердо решил выпытать у нее про это дело.
Я помню, как Наталья Павловна озадаченно смотрела на меня, как ее глаза словно спрашивали – прикалываюсь я или нет. Я в свою очередь смотрел на нее очень внимательно, всем своим видом демонстрируя глубочайший интерес.
«Он круглый», — сказала Наталья Павловна. И хотя голос у нее был твердый, как и всегда, ее взгляд все-таки дрогнул. Буквально на мгновение. Но этого оказалось достаточно, чтоб я понял, что она врёт. Она понятия не имеет, как выглядит атом. Так же, как и я.
Через год я увидел картинки. Они были не из учебника, а из какого-то научного журнала, который отец принес как-то домой.
Надувные шарики? Серьезно? Совершенно круглые, некоторые вытянутые, похожие на те, что я с удовольствие лопал на дне рождения у младшего брата, доводя его до истерики своими выходками.
Они выглядели странно — расположены красивыми формами и узорами вокруг точки, которая должна была быть ядром. Одна из схем напоминала два шарика, связанных концами и каким-то образом вставленных в пончик.
Орбитали, так называла их статья. Вот как должен выглядеть атом!!! Я был счастлив.
Уже учась в институте, на факультете ядерной физики, я понял, что то, что я увидел в журнале было не изображение атома, а всего лишь диаграммы, представляющие распределение вероятностей в пространстве.
В очень упрощенных терминах электрон можно описать математическим уравнением, называемым волновой функцией. Вы решаете это уравнение и получаете значение вероятности в каждой точке пространства. Это значение говорит вам о вероятности найти электрон в этой точке пространства вокруг ядра. Когда вы находитесь близко к ядру, вероятность высока, а по мере удаления она становится низкой. Вы рисуете границу, которая содержит все точки, где вероятность найти электрон составляет более 99% (скажем так), и именно так вы получаете приведенные выше диаграммы облаков.
Картинки просто представляли распределение вероятностей, связанных с обнаружением электронов вокруг ядра. Но это никоим образом не говорило о том, как на самом деле выглядит атом.
И тут я вернулся к своему вопросу – а как выглядит атом? К слову сказать, преподаватели в ВУЗе были более образованы, чем моя учительница по физике, много чего знали, много чего умели, но отвечали как-то туманно. Их ответы напоминали то самое облако электронов внутри атома. Вроде понятно, а вроде не очень. (Это уже после я понял, что они говорили правильные вещи. Но в тот момент мне хотелось иметь больше определенности).
Итак, атом
Возможно, мы слишком амбициозны. Возможно, нам следует начать с чего-то гораздо меньшего.
Скажите мне, как выглядит электрон? Если бы вы могли увидеть его поближе, что бы вы увидели?
Увидели бы вы частицу – маленькую точку, летающую вокруг ядра? Или вы бы увидели волну, поднимающуюся и опускающуюся, как вода в океане? Или, возможно, запутанная комбинация того и другого, как утверждает корпускулярно-волновой дуализм?
Как выглядят эти основные физические объекты?
И это самая непонятая вещь в физике. Знаем ли мы, как выглядят эти субатомные сущности?
Правда в том, что мы понятия не имеем!
То, что вы называете электроном (или атомом), — это всего лишь математическая модель.
Когда мы указываем на электрон, висящий в пространстве, лучшее, что мы знаем о нем, — это то, что там «что-то» есть.
И мы знаем, как это «что-то» взаимодействует с миром. Мы можем пропустить его через магнитные камеры, заставить отскочить от золотой фольги или бросить в двухщелевой аппарат и посмотреть, как он себя поведет.
На основе этих наблюдений мы начинаем строить математическую модель — набор уравнений, описывающих такое поведение.
И мы называем эту математическую модель электроном.
Правильно, электрон – это не что иное, как математическая модель. Набор уравнений.
У нас нет осмысленного способа «увидеть» это. Все, что мы можем сказать, это то, что в пространстве, где, как говорят, находится электрон, «что-то» есть. И математическая модель, которую мы только что разработали, описывает поведение этого «что-то».
Итак, в следующий раз, когда вы услышите слово «атом» или, если кто-то спросит, что такое электрон, ваш разум должен подумать про «математическую модель». И да, вы можете представить точку, волну или нечеткие мутные облака, смотря как вы хотите использовать это знание.
И то же самое, вероятно, будет верно и для атома, если уж на то пошло.
