Пять бесед об устройстве мира 4-я

Беседа четвертая: «Как все вокруг устроено»
Следующий день выдался солнечным, и расположились в беседке.
– Давайте попробуем заглянуть внутрь материи. Из чего все вокруг нас состоит, да и мы тоже?
– Из атомов и молекул.
– Именно так! А как выглядит атом?
– У него ядро и вокруг электроны. В ядре протоны и нейтроны. Протоны заряжены положительно, а электроны – отрицательно, – уверенно сообщил Василий.
– А кто из них больше по массе?
– Протоны и нейтроны одинаковы, а электроны в две тысячи раз легче, а значит, по диаметру меньше в десять раз.
– В отличие от электрона, протоны и нейтроны не являются элементарными частицами в том смысле, что они сами состоят из кварков – еще более мелких частиц. Какое еще есть важное свойство у электрона?
– Магнитный момент.
– Шикарные знания физики!
– А откуда берется электрический заряд? – заинтересовался Василий.
– Вопрос законный, но ответа я не знаю. Исходно существуют две заряженные элементарные частицы с равными, но противоположными по знакам зарядами: электрон и позитрон. Они все и задают, а как они устроены, мы не знаем. Теперь мой вопрос: а какой атом самый маленький?
– Атом водорода. У него только один протон в ядре и один электрон.
– Диаметр атома водорода в десять тысяч раз больше диаметра ядра и равен одному ангстрему. Отсюда и получилась эта единица измерения, удобная для атомного мира. Насколько она меньше микрона?
– В сто раз.
– Точно! Давайте представим атом наглядно. Для этого мысленно увеличим ядро в диаметре до 10 см, размером с апельсин, а электрон соответственно до 1 см, размером с мелкую вишенку. Тогда атом распухнет до пятисот метров. С расстояния 500 м не только электроны, но и ядро невооруженным глазом не рассмотреть. Выходит, что все пространство в атоме заполнено чем?
– Пустотой.
– Так и есть. Все вокруг нас на уровне атомов выглядит пустотой, или, как говорят физики, вакуумом. Но почему же тогда все тела сохраняют свою форму?
– Атомы для этого должны быть жесткими.
– Да, это правильный ответ. В атомах действуют очень большие силы. Объяснить устройство атома в рамках классической физики невозможно. Дело в том, что по классическим представлениям, когда электрон движется вокруг ядра, он излучает энергию. Значит, его скорость должна снижаться, и он неминуемо притянется ядром, имеющим противоположный электрический заряд. Что придумали физики для объяснения устройства атома?
– Квантовую механику.
– Правильно. Оказывается, что свойства веществ на уровне атомов существенно отличаются от привычных нам обычных тел. Каждый электрон в атоме имеет определенную энергию и изменять ее может только дискретно, переходя под внешним воздействием с одного уровня на другой. Без внешнего воздействия он стабилен, хотя есть исключения: некоторые атомы неустойчивы и могут разделиться. При этом выделяется много энергии. Она и используется на атомных станциях.
– А электроны двигаются или стоят на месте?
– В квантовой механике частица может находиться с той или иной вероятностью в различных точках пространства, то есть электрон не локализован, он подвижен, но это движение не по определенной траектории. Вообще представления квантовой механики выходят за привычные нам рамки.
– Как же ее придумали?
– Все началось не в атомной физике, а в оптике. Немецкий физик Макс Планк работал над теорией излучения нагретого тела и столкнулся с тем, что классических представлений о световой волне недостаточно для описания формы плотности излучения на высоких частотах. Он и предположил квантовый характер излучения. Это сразу решило проблему. Ну а дальше квантовые представления стали активно развиваться и с успехом применяться к описанию явлений на микроскопическом уровне. Классическая физика от этого не пострадала, за ней остались все прежние применения.
–  А я слышал, что и в масштабах Вселенной она тоже перестает работать.
– Да, и там есть особенности, связанные с гравитацией и движением тел с очень большими скоростями. Можно сказать, что классическая физика – это не всеобъемлющие знания, но самые важные для нашей повседневной жизни. Давайте вернемся к устройству материи. Атомы могут группироваться в молекулы, это тоже устойчивые образования. Когда атомы и молекулы объединяются, то получается твердое вещество, поскольку ни атомы, ни молекулы не могут проникать друг в друга.  Вот и получается, что пустота всех веществ очень упругая. А если бы удалось сжать все вещество, например, в человеке в шарик до плотности ядра, то получилась бы сфера меньше макового зернышка.
– Это можно сделать?
– Нет, такими силами никто не располагает. Чисто умозрительный опыт. Устройство атома ничего вам не напоминает?
– Похоже на солнечную систему.
– Молодец! Действительно, замечаем сходство: тоже есть устойчивое ядро и вокруг него более мелкие планеты, движущиеся на стабильных траекториях. Масса Солнца в 330 тысяч раз больше массы Земли. В атоме водорода подобное отличие меньше: составляло 2 тысячи раз, а для самых тяжелых атомов с большим количеством нейтронов становится существенно больше. Планеты, в отличие от заряженных частиц, при вращательном движении не излучают энергию, поэтому сохраняют свою орбиту.
Если мы еще более увеличим масштабность наблюдения, то обнаружим, что и галактики тоже похожи на атомы: имеют тяжелый центр, вокруг которого вращаются звезды.
– А галактики во Вселенной расположены как попало?
– Да нет. Нечто похожее наблюдается и с самими галактиками. Таким образом мы можем заключить, что окружающая нас действительность устроена по принципу подобия. Это касается не только атомов и космических объектов, но и многих природных: например, ствол, сучки и прожилки на листьях дерева по геометрии своего устройства подобны.  Проще всего наблюдать принцип подобия, рассматривая снежинку. Она всегда имеет форму пятиугольника, образованного из мелких элементов точно такой же формы, которые в свою очередь представляют из себя структуру из еще более мелких звездочек.
– И до каких пор это так?
– До уровня тысяч атомов. В науке такие системы называют фрактальными. Они наблюдаются довольно широко, например, река и ручейки, очертания берега на карте и в более мелком масштабе, в биологии фракталы в кровеносной системе. Природа в каждом случае как бы нашла оптимальный вариант структуры и использует его в разных масштабах.
– А как появились галактики и Вселенная? – спросила Марина.
– В настоящее время большинство физиков, изучающих эту проблему, склоняются к идее большого взрыва, который произошел около 14 миллиардов лет тому назад. Для того чтобы подтвердить эти представления, на космической орбите построили уникальный телескоп, который получил название «Джеймс Уэбб», в честь бывшего руководителя американского космического агентства. Он предназначен для наблюдения очень далеких галактик, свет от которых идет к нам более десяти миллиардов лет, то есть он получает сведения об очень удаленном прошлом. Была надежда, что телескоп позволит наблюдать галактики в начальный момент их формирования. Но надежды пока не оправдались. Оказалось, что древние галактики мало отличаются от современных. Это поставило под сомнение теорию большого взрыва. Не исключено, что Вселенная была и раньше, можно сказать, всегда. Как она образовалась, нам неизвестно.
Сейчас появились гипотезы, причем небезосновательные, что и наша Вселенная не единична, их тоже великое множество, они существуют и преобразуются по неизвестным нам законам. Не исключено, что умирают, и на смену им рождаются новые, то есть мир бесконечен. Возможно, при вас, а то и вы выясните, насколько все это реалистично.