Брайан Кокс - Почему Е=mc²? И почему это должно нас волновать

Следует отметить, что масса атома водорода меньше, а не больше суммы его составляющих. Создается впечатление, будто этот атом содержит некую отрицательную энергию. В данном контексте в отрицательной энергии нет ничего мистического: фраза «содержит отрицательную энергию» означает только то, что для разделения атома на части понадобятся определенные усилия. Эту энергию часто обозначают термином «энергия связи». Следующая по величине масса атома водорода на 10,2 эВ/ с ² меньше суммы его составляющих [32]. Мистическая и зачастую неверно понимаемая квантовая теория на самом деле называется так именно потому, что такая масса представляет собой дискретную («квантованную») величину. Например, не существует атома водорода, масса которого была бы на 2 эВ/ с ² больше минимальной массы. В действительности в этом и состоит весь смысл слова «квант». Разность между массами атома водорода обусловлена переходом электрона на другую орбиту, по которой он движется вокруг ядра, представленного в случае атома водорода одним протоном.

С учетом вышесказанного необходимо весьма осторожно подходить к изображению орбит электрона, поскольку они не имеют ничего общего с орбитами планет, движущихся вокруг Солнца. Проще говоря, у атома с наименьшей массой электрон находится ближе к протону, чем у атома со следующей по величине массой, и так далее. Состояние, когда в атоме водорода электрон максимально приближен к протону, называют основным состоянием атома водорода, в котором он имеет минимально возможный вес. Если прибавить определенное количество энергии, электрон перейдет на следующую возможную орбиту и атом станет немного тяжелее, причем это происходит исключительно по причине притока к атому дополнительного количества энергии. В этом смысле приток энергии к атому подобен взведению пружины в мышеловке.

Все это вызывает встречный вопрос: откуда известны такие детали об атоме водорода? Мы ведь не измеряли все эти крохотные различия между значениями массы с помощью обычных весов. В основе квантовой теории лежит волновое уравнение Шредингера, которое мы можем использовать для прогнозирования значений массы. Легенда гласит, что Шредингер открыл уравнение, ставшее одним из самых важных в современной физике, когда проводил зимний отпуск со своей возлюбленной в Альпах во время новогодних и рождественских праздников 1925–1926 года. В учебниках по физике ничего не сказано о том, как он объяснил все это своей жене. Нам остается только надеяться, что она смогла оценить результат трудов супруга так же, как и целые поколения студентов-физиков, которые знают наизусть уравнение, получившее имя своего создателя. Рассчитать уравнение Шредингера для такого простого атома, как атом водорода, не так уж сложно, и эти расчеты украсили многие экзаменационные работы студентов последних курсов. Однако математическая разрешимость мало что значит без подкрепляющих доказательств, полученных в ходе экспериментов. К счастью, следствия квантовой природы строения атома наблюдать достаточно легко. В действительности мы видим их каждый день. В квантовой теории существует общий принцип, который можно сформулировать примерно так: если оставить в покое более тяжелый объект, он станет более легким, если это вообще возможно. Понять этот принцип нетрудно. Если объект оставить в покое, он не сможет стать тяжелее ввиду отсутствия притока энергии. С другой стороны, всегда существует вероятность, что он выделит часть энергии и станет легче. Безусловно, есть еще третий вариант, когда объект ничего не делает и остается неизменным, как зачастую и происходит. В случае атома водорода это означает, что его более тяжелая версия в конце концов потеряет часть своей массы. Это произойдет в результате выделения атомом водорода одной частицы света – фотона, с которым мы уже встречались. Например, в какой-то момент атом водорода с массой, самой близкой к минимальной, может внезапно превратиться в самый легкий атом водорода вследствие изменения орбиты электрона. Избыточную энергию несет в себе фотон [33]. Может наблюдаться и обратный процесс. Если фотон окажется рядом с атомом водорода, этот атом может поглотить его, что приведет к увеличению массы атома, поскольку под воздействием поглощенной энергии его электрон переходит на более высокую орбиту.

Пожалуй, самый привычный способ обеспечить приток энергии в атомы – их нагреть. Это заставляет электроны переходить на более высокие орбиты, а затем возвращаться, выделяя при этом фотоны (именно такой физический процесс лежит в основе работы натриевой газоразрядной лампы). Эти фотоны несут в себе энергию, количество которой эквивалентно разности энергий на разных орбитах, и обнаружение таких фотонов позволило бы нам приоткрыть окно в структуру материи. К счастью, мы сталкиваемся с ними постоянно, поскольку наши глаза – не более (или не менее) чем детекторы фотонов, воспринимающие их энергию как цвет. Лазурная голубизна океана вокруг тропического острова, желтые бриллианты звезд Ван Гога и ваша кровь цвета красной охры – все это прямой результат восприятия вашими глазами квантовой структуры вещества. Происхождение цветов, излучаемых газами при высоких температурах, было одной из движущих сил открытия квантовой теории на рубеже XX столетия. На протяжении долгих лет множество дотошных ученых внимательно наблюдали за всем, что испускает свет. В нашем языке их труд увековечен в названии газа, которым мы наполняем воздушные шары. Слово «гелий» происходит от древнегреческого «гелиос», что означает «солнце», поскольку спектральную линию этого элемента впервые обнаружил Пьер Жансен [34]во время солнечного затмения в 1868 году. Так ученые открыли гелий в составе нашей звезды еще до того, как нашли его на Земле. Сегодня астрономы ищут признаки жизни в дальних мирах, анализируя характерные следы кислорода в свете звезд, пронизывающем атмосферу планет в тот момент, когда они проходят по диску своих материнских звезд. Спектроскопия (так называется эта научная дисциплина) – мощный инструмент исследования Вселенной снаружи и изнутри.

Все существующие в природе атомы представлены в виде башни энергий (или масс), в зависимости от того, где находятся электроны. Поскольку во всех атомах, кроме атома водорода, содержится больше одного электрона, они излучают свет всех цветов радуги и даже более широкого спектра – именно поэтому нас окружает настолько красочный мир. В самом общем виде химия – это область науки, которая изучает процессы, происходящие в тот момент, когда две группы атомов приближаются друг к другу (но не слишком близко). В случае сближения двух атомов водорода протоны отталкиваются, потому что оба несут положительный электрический заряд. Однако такое отталкивание компенсируется тем, что электрон одного атома притягивает протон другого. В итоге создается оптимальная конфигурация, в которой два связанных между собой атома образуют молекулу водорода. Эти атомы связаны между собой в том же смысле, в котором электрон удерживается на своей орбите вокруг ядра атома водорода. Наличие связи между атомами означает, что требуются определенные усилия, чтобы отделить их друг от друга. В данном контексте под «приложить усилия» подразумевается необходимость обеспечить приток энергии. Если нам нужно добавить энергии, чтобы разбить молекулу на части, значит, масса молекулы меньше общей массы двух атомов водорода, из которого она состоит, точно так же как масса атома водорода меньше совокупной массы его составляющих. В обоих случаях энергия связи возникает под воздействием электромагнетизма, о котором шла речь в начале книги.