нормальных условиях он всегда будет на нижней орбите, которая называется
"стационарным состоянием" атома. Оттуда электрон, получив необходимое
количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда
говорят, что атом находится в "возбужденном состоянии", из которого мо-
жет вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии
в силе фотона, или кванта электромагнитного излучения. Все атомы, обла-
дающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми
очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэ-
тому два атома-скажем, кислорода,-абсолютно идентичны. Приходя в возбуж-
денное состояние-например, сталкиваясь в воздухе с другими атомами, в
итоге все они неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Так, вол-
новая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного хими-
ческого элемента и их высокую механическую устойчивость.
Состояния атома могут быть описаны при помощи ряда целых чисел, полу-
чивших название "квантовых чисел" и обозначающих местонахождение и форму
электронных орбит. Первое квантовое число-это номер орбиты, определяющий
количество энергии, которым должен обладать электрон для того, чгобы на-
ходиться на ней; два других числа определяют точную форму электронной
волны на орбите, а также скорость и направление вращения электрона, при-
чем не следует понимать "вращение" электрона в классическом механисти-
ческом смысле: оно определяется формой электронной волны в терминах ве-
роятности существования частицы в определенных точках орбиты. Поскольку
эти характеристики выражаются целыми числами, это означает, что коли-
чество вращения электрона увеличивается не постепенно, а скачкообраз-
но-от одной фиксированной величины к другой. Большие значения квантовых
чисел соответствуют возбужденным состояниям атома, в то время как элект-
роны атома, находящегося в стационарном состоянии, расположены как можно
ближе к ядру и имеют минимально возможное количество вращения.
Вероятности существования, частицы, которые в ответ на их ограничение
в пространстве увеличивают скорость движения, внезапные переключения
атомов с одного "квантового состояния" на другое и глубокая взаимосвя-
занность всех явлений-вот некоторые черты необычной для нас атомной
действительности. С другой стороны, основная сила, действующая в мире
атомов, известна и в макроскопическом мире. Это сила притяжения,
действующая между положительно заряженными ядрами и отрицательно заря-
женными электронами. Взаимодействие этой силы с электронными волнами по-
рождает огромное количество разнообразных структур и явлений, которые
окружают нас. Оно отвечает за все химические реакции и за образование
молекул-соединений, состоящих из нескольких атомов, связанных силами
взаимного притяжения. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром
обеспечивает возможность существования всех твердых тел, жидкостей и га-
зов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с
жизнедеятельностью последних.
В этом, исключительно богатом, мире атомных явлений ядра исполняют
роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник
электрических сил и образующих основу огромного множества молекулярных
структур. Для понимания этих структур и вообще всех явлений природы все,
что нам нужно знать о ядрах атомов-величина их заряда и их масса. Однако
тот, кто хочет понимать природу материи и знать, из чего, в конечном
счете, она состоит, должен исследовать ядро атома, заключающее в себе
почти всю массу последнего. Поэтому в тридцатые годы нашего века, после
того, как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей
физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения
внутри ядра.
Первым важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его вто-
рого компонента (первым является протон)-нейтрона: частицы с массой,
примерно равной массе протона, в две тысячи раз превышающей массу элект-
рона, но лишенной электрического заряда. Это открытие обнаружило тот
факт, что ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтро-
нов, и что сила, связывающая частицы внутри ядра-совершенно новое явле-
ние. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны
электрически нейтральны. Физики поняли, что перед ними-новая сила приро-
ды, не существующая вне ядра.
Ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома, и все же содержит
почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра го-
раздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, если бы
человеческое тело обладало бы плотностью ядра, оно было бы величиной с
булавочную головку. Однако такая высокая плотность-не единственное нео-
бычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой
природой, "нуклоны", как часто называют нейтроны, реагируют на ограниче-
ние в пространстве, значительно увеличивая свою скорость, а поскольку им
отводится гораздо более ограниченный объем, их скорость очень высо-
ка-около сорока тысяч миль в секунду. Таким образом, ядерное вещест-
во-одна из форм материи, которая совершенно не похожа ни на одну из форм
материи, существующую в нашем макроскопическом окружении. Ядерное ве-
щество можно сравнить с микроскопическими каплями предельно плотной жид-
кости, которые бурно кипят и булькают.
Радикальное своеобразие ядерного вещества, определяющее его необычные
свойства-мощность ядерной силы, действующей только на очень близком
расстоянии, равном примерно двум-трем диаметрам нуклона. На таком расс-
тоянии ядерная сила притягивает; при его сокращении она становится явно
отталкивающей и препятствует дальнейшему сближению нуклонов. Так, ядер-
ная сила приводит ядро в исключительно стабильное и исключительно дина-
мическое равновесие.
Согласно результатам этих исследований, большая часть вещества сосре-
доточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояния-
ми. В обширном пространстве между тяжелыми, бурно кипящими каплями ядер
движутся электроны, которые составляют очень небольшой процент от общей
массы, но придают материи свойство твердости и обеспечивают необходимые
связи для образования молекулярных структур. Они также участвуют в хими-
ческих реакциях и отвечают за химические свойства веществ. С другой сто-
роны, электроны обычно не участвуют в ядерных реакциях, не обладая дос-
таточной энергией для нарушения равновесия внутри ядра.
Однако эта форма материи, обладающая многообразием очертаний, струк-
тур и сложной молекулярной архитектурой, может существовать лишь при том
условии, что температура не очень высока, и колебательные движения моле-
кул не очень сильны. Все атомные и молекулярные структуры разрушаются
при увеличении термической энергии примерно в сто раз, что, например,
имеет место внутри большинства звезд. Получается, что состояние большей
части материи во Вселенной отличается от описанного выше. В центре нахо-
дятся большие скопления ядерного вещества; там преобладают ядерные про-
цессы, столь редкие на Земле. Эти процессы являются причиной разнообраз-
ных звездных явлений, наблюдаемых астрономией, большая часть которых
вызвана ядерными и гравитационными эффектами. Для нашей планеты особенно
важны ядерные процессы в центре Солнца, питающие энергией околоземное
пространство. Современная физика одержала триумфальную победу, обнару-
жив, что постоянный поток солнечной энергии-результат ядерных реакции.
В процессе изучения субмикроскопического мира в начале тридцатых го-
дов нашего столетия наступил этап, принесший уверенность в том, что
"строительные кирпичики" материи наконец открыты. Тогда уже стало из-
вестно, что вся матерня состоит из атомов, а атомы-из протонов, нейтро-
нов и электронов. Эти так называемые "элементарные" частицы воспринима-
лись как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Де-
мокрита. Хотя из квантовой теории следует, что нельзя разложить мир на
отдельные мельчайшие составляющие, в то время это обстоятельство не было
осознано всеми. О значительном авторитете классической механики говорит
тот факт, что в те годы большинство физиков придерживалось мнения, что
материя состоит из "строительных кирпичиков", и даже сейчас эта точка
зрения находит достаточно сторонников.
Однако последующие достижения современной физики показали, что нужно
отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших
составляющих материи. Первое из них носило экспериментальный характер,
второе-теоретический, и оба были сделаны в тридцатые годы. Что касается
экспериментальной стороны, то усовершенствование техники проведения экс-
перимента и разработка новых приборов детекции частиц помогли открыть
новые их разновидности. Так, к 1935 году было известно уже не три, а
шесть элементарных частиц, к 1955-восемнадцать, а к настоящему времени
их известно более двухсот. В такой ситуации слово "элементарный" вряд ли
применимо. По мере увеличения количества известных частиц росла уверен-
ность в том, что не все из них могут так называться, а сегодня многие
физики считают, что этого названия не заслуживает ни одна из них.
Эта точка зрения подкрепляется теоретическими исследованиями, прово-
дившимися одновременно с экспериментальным изучением частиц. Вскоре пос-
ле выдвижения квантовой теории стало очевидно, что она не является все-
объемлющей теорией для описания ядерных явлений, и должна быть дополнена
теорией относительности. Дело в том, что частицы, ограниченные в преде-
лах ядра, часто движутся со скоростью, близкой к скорости света. Это
очень важно, так как описание любого природного явления, в котором
действуют скорости, близкие к световой, должно учитывать теорию относи-
тельности и быть, как говорят физики, "релятивистским". Поэтому для точ-
ного понимания мира ядра нам нужна теория, объединяющая теорию относи-
тельности и квантовую теорию, Такая теория еще не выдвигалась, и поэтому
попытки полного описания ядра были обречены на неудачу. Хотя мы немало
знаем о строении ядра и о взаимодействиях ядерных частиц, мы не распола-
гаем фундаментальным пониманием природы ядерных сил и сложной формы, в
которой они проявляются. Не существует и всеобъемлющей теории ядерной
частицы, сопоставимой с описанием атома в квантовой теории. Существует
несколько "квантово-релятивистских" моделей, вполне удовлетворительно
отражающих отдельные аспекты мира частиц, но слияние квантовой теории и
теории относительности и создание общей теории частиц остается основной
из пока нерешенных задач, стоящих перед современной физикой.
Теория относительности оказала сильное воздействие на наши представ-
ления о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятие частицы.
В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некоей нераз-
рушимой материальной субстанцией-с неким "материалом", из которого, как
считалось, были сделаны все вещи. Теория относительности показала, что
масса не имеет отношения ни к какой субстанции, являясь одной из форм
энергии. Однако энергия-это динамическая величина, связанная с дея-
тельностью или процессами. Тот факт, что масса частицы может быть экви-
валентна определенному количеству энергии, означает, что частица должна
восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамический
паттерн, процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде
массы некой частицы.
Начало новому взгляду на частицы положил Дирак, сформулировавший ре-
лятивистское уравнение для описания поведения электронов. Теория Дирака
не только очень успешно описывала сложные подробности строения атома, но
также обнаружила фундаментальную симметричность матерни и антиматерии,
