«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

 

 

Движение в микромире

 

 

 

Демонстрировать процесс движения в микромире не смог бы никакой Диоген XX века. И потому именно не смог бы, что там нет траекторий. Призывать в свидетели наше зрение наивно.

 

Разве в прямолинейно летящем световом луче виден отдельный фотон? Недаром Кеплер думал об истечении непрерывной материи из светового источника — как все мы, он видел, что «это так», и — заблуждался. Когда катится по горной дороге поток овечьего стада, истинное движение каждой овцы ускользает от нашего внимания. Вглядываясь в туманные нити на вильсоновских фотографиях, мы вовсе не прослеживаем действительный путь космической частицы: эти треки из капелек тумана как завалы поверженных стволов на лесной просеке — точного отчета о движениях дровосека они не дают. (Помните — частица внутри туманного следа подобна мухе в тоннеле метро.)

 

Сказал я про овец и дровосека —и сразу пожалел об этом. Такие сравнения порождают ложные соблазны: начинает невольно думаться, что какой-нибудь очень тонкий опыт все-таки сделает когда-нибудь зримо ясной картину движения — скажем, электрона в атоме водорода. Вооружившись биноклем и терпением, можно ведь распознать извилистый путь любой овцы в катящемся стаде. И путь дровосека можно в конце концов установить во всех деталях — надо лишь предпринять докучливое исследование. Отчего же не предположить, что и физики сконструируют со временем сверхсильный микроскоп для съемки документального научного фильма «Путешествие электрона» или «Электрон на орбите»?

 

Все дело в том, что такой фильм никогда не будет снят. И в этом «никогда» — запрет самой природы. Он очень понятен.

 

...Чтобы увидеть и снять электрон в атоме, этого карлика надо осветить.

 

Все лучи видимого спектра — от синего до красного — для такой цели не подходят: длины их волн слишком велики. Это 3—7 тысяч ангстрем (стомиллионных долек сантиметра). А размеры атома водорода в нормальном состоянии порядка 1 ангстрема. Можно ли ожидать, что видимый свет отразится даже не от электрона, а от водородного атома в целом? Это все равно что надеяться на заметное отражение морской волны от одной прибрежной песчинки.

 

Видимый свет не ощущает отдельного атома как сколько- нибудь серьезное препятствие на своем пути. Окруженные воздухом, мы его молекул не видим, хотя они и освещены солнечным светом — белой смесью красных, желтых, зеленых, синих лучей. Очень уж ничтожно рассеяние этих лучей при встречах с молекулами кислорода, азота, водорода. Оттого и не виден воздух. Но все же чем короче световая волна, тем эти молекулы заметней для луча, как препятствие. (Но точнее нужно сказать, что для солнечных лучей «заметней» не отдельные молекулы, а их тесные скопления, так называемые «флуктуации плотности воздуха», постоянно возникающие в атмосфере.) И потому самые коротковолновые из видимых лучей — синие — рассеиваются воздухом ощутимей, чем красные. В громадной толще земной атмосферы этот крошечный эффект постепенно накапливается и создает глубокую синеву прозрачного неба. А длинноволновые лучи, от желтого до красного, проходят сквозь атмосферу, почти совсем не рассеиваясь, и создают оранжевый цвет Солнца в нашем восприятии.

 

Если бы электромагнитные волны красного света были, наоборот, самыми короткими, а синего — самыми длинными, мы жили бы под красным небом и синим Солнцем.

 

Каким же светом высветить в атоме электрон? Согласитесь, что длина волны такого пригодного света должна быть меньше атомных размеров. Ну хоть в десять раз меньше:

только тогда атомный электрон будет возникать на их пути как реальная преграда. Появится надежда наконец-то увидеть воочию странного незнакомца, про которого физики уверенно рассказывают нам тысячи интересных историй, -не зная даже, «как он выглядит». А предполагаемая киносъемка в таких лучах возбудит надежду снять под воображаемым микроскопом самый скучный по однообразию, но и самый удивительный по необычайности фильм. Правда, такие ультракоротковолновые лучи — 0,1 ангстрема — наш глаз не воспринимает. Однако это не роковая беда: хитроумным устройством инженеры смогли бы превратить такое невидимое рентгеновское изображение в обыкновенное—видимое. Беда в другом. И тут уж действительно роковая.

 

Любые электромагнитные лучи —поток не просто волн, а микрокентавров —волн-частиц — фотонов. Каждый фотон — квант электромагнитной энергии. И вы, конечно, еще не забыли, что этот квант, эта порция энергии тем больше, чем выше частота электромагнитных колебаний, или, что то же самое, чем короче длина электромагнитной волны. «Синий фотон» несет с собою (или в себе) больше энергии, чем «красный фотон», а рентгеновский — в тысячи раз больше, чем любой фотон видимогр света, потому что тут длина волны излучения в тысячи раз короче (даже в десятки тысяч раз короче для нужных нам лучей: сравните — 0,1 ангстрема и 3—7 тысяч ангстрем). А чем энергичней фотон, тем он массивней. И массу его легко узнать по закону Эйнштейна, так хорошо нам знакомому: Е=М-С2. И вот совсем нетрудно подсчитать, — это простейшая арифметика,—каков же будет по своей массивности фотон того ультракоротковолнового рентгеновского излучения, которое могло бы хоть в принципе осветить электрон внутри атома.

 

Оказывается, масса такого фотона примерно равна массе электрона!

Теперь пусть начнется долгожданная съемка.

ясно ли, что ее придется тотчас прекратить? Ведь на атом хлынет поток таких же массивных волн-частиц, как сам атомный электрон. Вместо того чтобы аккуратно высветить атом, этот поток разгонит электроны, движущиеся вокруг ядра. Он развеет электронное облако — разденет атом. Он превратит его в голое ядро. Но незачем думать о сокрушительном потоке фотонов: в атоме водорода всего один электрон, и достаточно представить себе встречу только одного фотона с этим электроном. То будет встреча равных. И ее исход очевиден. На старом языке бильярдных шариков это будет столкновением двух одинаковых стремительных шаров — удар собьет электрон с его пути и вышвырнет из атомного пространства. Зафиксировав для нас место этого происшествия, фотон вместе с тем испортит весь объект съемки: дальше нечего будет снимать.

Значит, если бы даже существовали в атоме милые нашему воображению точные орбиты, наблюдать их мы все равно не смогли бы. Совершеннейший микроскоп, даже в мысленном идеальном опыте, показал бы нам из всей .траектории электрона лишь одну точку. А снять на другой кадр «следующую точку» уже невозможно было бы: электрон в ней, в этой ожидаемой соседней точке, просто отсутствовал бы, и потеряло бы всякий смысл говорить о его «следующем» положении на орбите.

 

К счастью, эта заведомая безуспешность тончайшего опыта разочаровывает не так сильно, как могла бы, если б траектории в микромире действительно существовали. А то обстоятельство, что нельзя увидеть несуществующее, разве огорчительно?

 

И все-таки... И все-таки электрон как-то движется в пространстве и во времени. После Пушкина, дровосека, овец и бесполезного сверхмикроскопа снова приходится возвращаться к этому проклятому «как-то». Обнаружившие свою ограниченную пригодность, классические понятия координаты и скорости движущегося тела как-то все-таки должны быть приложимы и к описанию событий в микромире.

 

 

К содержанию книги: Научно-художественная книга о физике и физиках

 

 Смотрите также:

  

Физика. энциклопедия по физике

Книга содержит сведения о жизни и деятельности ученых, внесших значительный вклад в развитие науки.
О физике

заниматься физикой как наукой или физикой, которая...

Эта книга адресована всем, кто интересуется физикой. В наше время знание основ физики необходимо каждому, чтобы иметь правильное представление об окружающем мире

Энциклопедический словарь

И старшего. Школьного возраста. 2-е издание исправленное и дополненное. В этой книге  Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках

 

И. Г. Бехер. книга Бехера Подземная физика

В 1667 г. появилась книга И. Бехера «Подземная физика», в которой нашли отражение идеи автора о составных первоначалах сложных тел.

 

Последние добавления:

 

Право в медицине      Рыбаков. Русская история     Криминалист   ГПК РФ