Вот почему земля твердая, а материя — плотная. Да, в частности, по причине волновой природы электронов. Но также по причине неодолимой неопределенности микроскопического мира и еще потому, что наши знания о фундаментальной реальности имеют «предельный предел». Именно об этом в конечном итоге и говорит нам тот факт, что земля под нашими ногами — твердая.
3. Не больше двух горошин в стручке одновременно
Многообразие мира говорит нам удивительную вещь: в природе должно существовать нечто такое, что мешает электронам сидеть друг на друге
…Именно благодаря тому, что электроны не могут сидеть друг на друге, существуют и столы, и другие твердые предметы.
Ричард Фейнман[28]
Квантовые механики? И что они делают целыми днями?
Роб Эванс (поэт-исполнитель)
Оглянитесь вокруг: вот одуванчик, вот ураган, назревающий в Мексиканском заливе, вот новорожденный ребенок, вот звезда, мерцающая в вечернем небе. Невероятное, безграничное многообразие — одна из самых поразительных черт окружающего нас мира. Как пророчески заметил Демокрит два с половиной тысячелетия назад, все это удивительное многообразие — просто-напросто отражение того факта, что небольшое число кирпичиков, или атомов, могут соединяться друг с другом огромным количеством способов. Из простого, как ни парадоксально, рождается сложное. Все дело в комбинациях.
Таким образом, многообразие мира говорит нам: невозможно, чтобы атомные кирпичики были одного-единственного вида — таких видов должно быть множество. Но почему все же множество, а не один? Причина этого должна иметь какое-то отношение к тому, что отличает один вид атомов от другого. А то, что отличает атомы, — это количество электронов, которые они содержат. Именно электроны, обращающиеся на огромных (по меркам малого мира) расстояниях от центрального ядра, обеспечивают взаимодействие между атомами. Они обозначают «поверхность» атома и то, как один атомный кирпичик «Него» сцепляется с другими. Проще говоря, именно электроны делают атом кальция кальцием, атом золота — золотом, а атом платины — платиной.
Итак, безграничное многообразие окружающего мира говорит нам нечто очень важное об электронах. По сути, это «нечто важное» можно выразить так: электроны испытывают удивительную антипатию друг к другу, и притом очень сильную. Но здесь мы забегаем немного вперед…
Для того чтобы мы в полной мере оценили, с какой стати многообразие окружающего мира решило поделиться с нами таким необычным и весьма специфическим фактом, требуется некоторая подготовка. Например, необходимо знать кое-что о том, каким образом электроны размещаются внутри атомов и почему этот способ размещения порождает атомы, которые ведут себя столь по-разному.
Как и все частицы материи, электроны ведут себя подобно волнам. По де Бройлю, чем меньше импульс частицы, тем больше волна. Поскольку электрон — самая легкая на свете частица, обладающая массой [29], он, вообще говоря, отличается и самой большой длиной волны. Разумеется, именно по этой причине электрон, в большей степени, чем все остальные субатомные частицы, проявляет поразительнейший волновой характер, и по этой же причине абсолютно невозможно понять атом, не приняв во внимание сей аспект природы электрона. Вспомним: только жажда простора, присущая волне электрона, спасает эту частицу от стремительного полета по спирали к ядру атома и превращения там в ничто — только она делает возможным само существование атомов.
У органной трубы есть самая низкая, или основная, частота и плюс к ней более высокие частоты — «обертона». Чем больше частота, чем больше максимумов и минимумов волны в данной области пространства — тем более резок и интенсивен звук. Если говорить об электроне в атоме, то подобная волна соответствует частице, которая движется быстрее, обладает большей энергией и, таким образом, способна презреть электрическое притяжение ядра и обращаться вокруг него на большом расстоянии.
Тот факт, что волне электрона доступен лишь ограниченный набор частот, означает, что электрон в атоме не волен нарезать свои круги на произвольном расстоянии от ядра. Ему разрешено обращаться вокруг ядра только на строго определенных, «специально выделенных» расстояниях, — а о каких-нибудь других и думать не смей! Вообразим, что законы физики позволяют вам стоять только в трех метрах от дерева, или в восьми, или в двадцати семи, но никак иначе. Вам это покажется полной нелепостью, однако для электронов, обращающихся вокруг атомного ядра, дело обстоит именно так.
Самая близкая к ядру орбита, разрешенная электрону, — как раз та, которая установлена принципом неопределенности Гейзенберга. Можно сказать и по-другому: ее устанавливает сам электрон, который с пчелиным раздражением жужжит в своей коробке, не желая, чтобы ему отвели еще более тесное пространство [30]. Эта орбита соответствует самым низким колебаниям из всех возможных для электрона — то есть основной частоте. Другие доступные орбиты, располагающиеся все дальше и дальше от ядра, соответствуют высокочастотными обертонам.
Не удивительно, что самая «нижняя» орбита помечена цифрой 1, а более «высокие» орбиты, последовательно отступающие от ядра, поименованы как 2, 3, 4 и так далее. Эти «квантовые числа» — очередная иллюстрация к тому, как устроено микроскопическое царство атомов: оно по-прежнему «зернисто», никакой непрерывности нет и в помине, все подается порциями — вездесущими «квантами».
Тут есть еще один нюанс. Задумаемся над тем, как именно электроны движутся по своим орбитам в атомах. Вероятностная волна электрона может быть весьма сложной трехмерной штукой, из чего следует, что этой волне свойственно соответствовать электрону, для которого не только наиболее велика вероятность быть обнаруженным на определенном расстоянии от ядра, но также наиболее велика вероятность быть застигнутым в конкретных направлению, а не где попало. Например, волна электрона на северном и южном полюсах атома может быть больше, чем где-либо еще, поэтому именно в этих местах вероятнее всего обнаружить электрон.
Еще раз скажу: совершенно очевидно, что слова, используемые для описания окружающего нас большого мира, просто не применимы в мире очень малых величин. Хотя Резерфорд весьма живописно изобразил, как электроны движутся по орбитам вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, однако на самом деле их перемещение совсем не похоже на движение планет. Электроны не только обращаются на конкретных, строго определенных расстояниях от ядра — и эти их орбиты не более чем «наиболее вероятные» области, где можно обнаружить электроны, — но они также имеют склонность оказывать предпочтение одним направлениям (азимутам) перед другими. Сознавая это, физики предпочитают вообще не говорить об орбитах электронов. Вместо этого они изобрели термин «орбиталь электрона», чтобы таким образом обозначить более сложную, «потустороннюю» реальность природы.
Для того чтобы охарактеризовать направление при движении в трехмерном пространстве, нужны два числа; вспомним о «широте» и «долготе» на земном шаре [31]. Соответствующим образом и волне электрона, величина которой меняется в зависимости от азимута, требуются два квантовых числа, дабы эту волну можно было привязать к определенному месту, — и плюс к ним еще то самое главное число, которое обозначает расстояние от атомного ядра. В сумме получается три.
Так уж распорядилась природа, что только двум электронам — не более того — разрешено обладать волной, описываемой конкретной триадой квантовых чисел. И оказывается, эта особенность и есть главнейший, если не единственный ключ к бесконечному многообразию окружающего нас мира. Но чтобы понять, почему это так, нам потребуется несколько расширить наше представление о том, каким образом электроны размещаются внутри атомов.
Все орбитали, расположенные на определенном расстоянии от ядра — то есть те, у которых одно и то же главное квантовое число, но разные вспомогательные квантовые числа (их еще называют орбитальными, или азимутальными), — образуют, как принято говорить, «оболочку». Получается, что максимальное количество электронов, которые могут занять ближайшую к ядру оболочку, обозначенную цифрой «1», равно двум. Максимальное количество электронов, которые могут образовать следующую оболочку, обозначенную цифрой «2», равно восьми. Для оболочки с порядковым номером «3» максимальное число электронов составляет 18. Ну и так далее.
Вот только сейчас — наконец-то! — мы подбираемся к сути дела: к тому, что отличает один атом от другого. Вспомним, что у разных типов атомов количество электронов тоже разное. У самого легкого элемента — водорода — один электрон, а у самого тяжелого природного элемента — урана — этих электронов аж 92. Теперь давайте вообразим — чисто гипотетически, — что произойдет, если электроны будут добавляться к атомному ядру по одному, дабы последовательно получались атомы все более тяжелых элементов. Первая доступная оболочка — самая «нижняя», ближайшая к ядру. Если электроны каким-то образом добавляются, они первым делом поступают именно в эту оболочку. Когда она заполняется до отказа, электроны накапливаются в следующей доступной оболочке, расположенной дальше от ядра. Когда заполняется и эта оболочка, электроны начинают набиваться в следующую, ту, которую отделяет от ядра еще большее расстояние. И так далее.
