ленной в целом, а понятие твердого тела было поставлено под сомнение
атомной физикой - наукой о бесконечно малом.
В начале века было открыто несколько явлений атомной действительнос-
ти, необъяснимых с позиций классической физики. Первое свидетельство в
пользу того, что атомы обладают какой-то структурой, появилось с откры-
тием рентгеновских лучей - нового вида излучения, быстро нашедшего свое
применение в медицине. Однако рентгеновские лучи были не единственным
видом излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия стали
известны п другие виды излучений, испускаемых атомами так называемых
"радиоактивных элементов". Явление радиоактивности подтверждало, что
атомы таких элементов не только испускают различные излучения, но и
превращаются при этом в атомы совершенно других элементов, что говорит о
сложности строения атома.
Эти явления не только активно изучались, но и использовались для еще
более глубокого проникновения в тайны природы. Так, Макс фон Лауэ при
помощи рентгеновских лучей исследовал атомную структуру кристалла, а Эр-
нест Резерфорд обнаружил, что так называемые альфа-частицы, исходящие от
радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных
снарядов субатомного размера для исследования внутреннего строения ато-
ма. Он подвергал атом обстрелу альфа-частицами, определяя по их траекто-
риям после столкновения, как устроен атом.
В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд по-
лучил сенсационные и совершенно неожиданные результаты. Вместо описанных
древними твердых и цельных частиц перед ученым предстали невероятно мел-
кие частицы-электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом
расстоянии. Электроны были прикованы к ядрам электрическими силами. Неп-
росто представить себе микроскопические размеры атомов, настолько далеки
они от наших обычных представлений. Диаметр атома-примерно одна миллион-
ная сантиметра. Представим себе апельсин, увеличенный до размеров земно-
го шара. В таком случае атомы этого апельсина увеличились до размеров
вишен. Мириады тесно соприкасающихся вишен, составляющие шар размером с
Землю-таковы атомы, из которых состоит апельсин. Таким образом, атом во
много раз меньше любого известного нам предмета, но во много раз больше
ядра, находящегося в центре атома. Ядро атома, увеличенного до размеров
вишни, футбольного мяча или даже комнаты, было бы невидимо вооруженным
глазом. Для того, чтобы увидеть ядро, нам нужно было бы увеличить атом
до размеров самого большого купола в мире-купола собора святого Петра в
Риме. В атоме такого размера ядро было бы величиной с песчинку. Крупица
песка в центре купола святого Петра и пылинки, вихрем носящиеся вокруг
нее в огромном пространстве купола-такими увидели бы мы ядро и электро-
ны.
Вскоре после появления этой "планетарной" модели атома было обнаруже-
но, что от количества электронов зависят химические свойства элемента, а
сегодня мы знаем, что можно составить периодическую таблицу элементов,
последовательно добавляя протоны к ядру самого легкого атома--гидрогена,
состоящего из одного протона и одного электрона-атома водорода, а также
соответствующее число электронов к "оболочке" атома. Взаимодействие меж-
ду атомами порождает различные химические процессы, так что вся химия
ныне может быть, в принципе, понята на основе законов атомной физики.
Эти законы не так-то легко было открыть. Они были сформулированы лишь
в двадцатые годы нашего века благодаря усилиям физиков разных стран:
датчанина Нильса Бора, француза Лун де Бройля, австрийцев Эрвина Шредин-
гера и Вольфганга Паули и англичанина Поля Дирака. Эти люди первыми соп-
рикоснулись с неведомой необычной реальностью мира атома. Результаты
всех экспериментов были парадоксальны и непонятны, и все попытки выяс-
нить, в чем тут дело, оборачивались неудачей. Не сразу физики пришли к
выводу о том, что парадоксы обусловлены тем, что они пытаются описывать
явления атомной действительности в терминах классической физики. Однако,
убедившись в этом, они стали по-другому воспринимать экспериментальные
данные, что позволило им избегнуть противоречий. По словам Гейзенберга,
"они каким-то образом прониклись духом квантовой теории", и смогли четко
и последовательно сформулировать ее в математическом виде.
Однако даже после этого понятия, которыми оперировала квантовая тео-
рия, остались очень непривычными. Ранее эксперименты Резерфорда обнару-
жили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незапол-
ненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а те-
перь квантовая теория утверждала, что эти частицы тоже не являются
цельными и неделимыми, что шло совершенно вразрез с положениями класси-
ческой физики. Частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно све-
ту, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.
Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно неве-
роятным, что что-то может одновременно быть частицей-единицей чрезвычай-
но малого объема-и волной, способной перемещаться на большие расстояния.
Это противоречие породило большую часть тех напоминающих КОАНЫ парадок-
сов, что легли в основу квантовой теории. Все началось с открытия Макса
Планка, свидетельствовавшего о том, что энергия теплового излучения ис-
пускается не непрерывно, а в виде отдельных вспышек. Эйнштейн назвал их
"квантами" и увидел в них фундаментальный аспект природы. Он был доста-
точно смел, чтобы утверждать, что электромагнитное излучение может су-
ществовать не только в форме электромагнитных волн, но и в форме кван-
тов. С тех пор кванты света рассматриваются как подлинные частицы и на-
зываются фотонами. Это частицы особой разновидности, лишенные массы и
всегда движущиеся со скоростью света.
Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось со-
вершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу меха-
нистического мировоззрения-понятие реальности материи. Внутри атома ма-
терия не существует в определенных местах, а, скорее, "может существо-
вать"; атомные явления не происходят в определенных местах и определен-
ным образом наверняка, а, скорее, "могут происходить". Язык формальной
математики квантовой теории называет эти возможности вероятностями и
связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн.
Вот почему частицы могут в то же время быть волнами. Это не "настоящие"
трехмерные волны, как, например, волны на поверхности воды. Это "вероят-
ностные волны"-абстрактные математические величины со всеми характерными
свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в опреде-
ленных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы
атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не
можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только ска-
зать, насколько вероятно, что оно произойдет.
Таким образом, квантовая теория доказывает ложность классических
представлений о твердых телах и о строгом детерминизме природных зако-
нов. На субатомном уровне вместо твердых материальных объектов класси-
ческой физики наличествуют волноподобные вероятностные модели, которые,
к тому же отражают вероятность существования не вещей, а, скорее, взаи-
мосвязей. Тщательный анализ процесса наблюдения в атомной физике пока-
зал, что субатомные частицы существуют не в виде самостоятельных единиц,
но в качестве промежуточного звена между подготовкой эксперимента и пос-
ледующими измерениями. Так, квантовая теория свидетельствует о фундамен-
тальной цельности мироздания, обнаруживая, что мы не можем разложить мир
на отдельные "строительные кирпичики". Проникая в глубины вещества, мы
видим не самостоятельные компоненты, а сложную систему взаимоотношений
между различными частями единого целого. В этих взаимоотношениях непре-
менно фигурирует наблюдатель. Человек-наблюдатель представляет собой ко-
нечное звено в цепи процессов наблюдения, и следует воспринимать
свойства любого объекта атомной действительности, обязательно учитывая
взаимодействие последнего с наблюдателем. Это означает, что классический
идеал объективного описания природы отошел в небытие. Имея дело с атом-
ной действительностью, нельзя следовать картезианскому разделению мира и
личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя сообщить
информацию о природе таким образом, чтобы остаться при этом в тени.
Новая теория строения атома сразу же смогла решить несколько загадок
строения атома, перед которыми оказалась бессильной планетарная теория
Резерфорда, стало известно, что атомы, образующие твердую материю, сос-
тоят из почти пустого пространства, если рассматривать с точки зрения их
распределения массы. Но если все вокруг нас, да и мы сами, состоит из
пустоты, то почему мы не можем проходить сквозь запретные двери? Другими
словами, что придает веществу твердость?
Вторая загадка-невероятная механическая стабильность атомов. Напри-
мер, в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом
и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму.
Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики, не
выдержала бы таких столкновений. Однако сочетание электронов атома кис-
лорода всегда одинаково, сколько бы они ни сталкивались с другими атома-
ми. Два атома железа, а следовательно, и два железных бруска, абсолютно
идентичны, несмотря на то, где они находились и как с ними обращались до
этого.
Квантовая теория показала, что эти поразительные свойства атомов
обусловлены волновой природой электронов. Для начала скажем, что твер-
дость материи-результат типичного "квантового эффекта", обусловленного
двойственной природой материи и не имеющего аналогов в макроскопическом
мире. Когда частица находится в ограниченном объеме пространства, она
начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше
скорость. Следовательно, в атоме действуют две противоположные силы, С
другой стороны, электрические силы стремятся как можно сильнее прибли-
зить электрон к ядру. Электрон реагирует на это, увеличивая свою ско-
рость, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость; она может быть
равна шестистам милям в секунду. Вследствие этого атом воспринимается
как непроницаемая сфера, так же как вращающийся пропеллер выглядит как
диск. Очень сложно еще больше сжать атом, и поэтому материя кажется нам
твердой.
Таким образом, электроны в атоме размещаются на различных орбитах с
тем, чтобы уравновесить притяжение ядра и свое противодействие этому.
Тем не менее, орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет
Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить
маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы,
вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орби-
там. Производя измерения, мы обнаруживаем электроны в какой-либо точке
орбиты, но не можем сказать, что они "вращаются вокруг ядра" в понимании
классической механики.
На орбитах эти электронные волны формируют замкнутые паттерны так на-
зываемых "стоячих волн". Эти паттерны возникают всегда, когда волны ог-
раничены в некотором конечном пространстве, как, например, упругие коле-
бания гитарной струны или воздушные колебания внутри флейты (см. рис.
6). Известно, что стоячие волны могут иметь ограниченное количество
очертаний. В случае с электронами внутри атома это означает, что они мо-
гут существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих опреде-
ленный диаметр. Например, электрон атома водорода может находиться
только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При
