физические свойства веществ определяются именно этими силами.
(Для наглядной демонстрации этого рассмотрим простой вопрос: почему на дорогах северо-востока США[12] так много выбоин и ухабов? Каждую зиму вода проникает в крохотные трещинки в асфальте; при замерзании вода расширяется, асфальт начинает крошиться и образуется выбоина. Но сама мысль о том, что вода при замерзании расширяется, противоречит житейскому здравому смыслу. А вода действительно расширяется, и причиной тому — водородные связи. Молекула воды по форме напоминает букву V, причем в основании располагается атом кислорода. Молекула воды несет легкий отрицательный заряд у основания и легкий положительный заряд «наверху», где располагаются атомы водорода. Поэтому при замораживании воды ее молекулы выстраиваются в правильную пространственную решетку и застывают, а между ними остается пустое пространство. Молекулы воды образуют пространственные шестиугольники, расстояние между атомами в которых больше, поэтому лед объемнее воды. По этой же причине снежинки обладают шестисторонней симметрией, а лед плавает в воде, хотя по идее должен бы в ней тонуть.)
Проходить сквозь стены
Помимо поверхностного натяжения, водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса на атомном уровне существуют и странные квантовые эффекты. Как правило, в повседневном быту мы не видим, как работают квантовые силы. На самом же деле они всюду. Известно, к примеру, что внутри атомы по большей части пусты, и по идее ничто не должно нам мешать проходить сквозь стены. Между ядром в центре атома и электронными оболочками ничего нет, там вакуум. Если увеличить атом до размеров футбольного поля, поле окажется пустым, поскольку его ядро при этом приобретет примерно размеры песчинки.
(Мы иногда удивляем студентов простой демонстрацией. Берем счетчик Гейгера, кладем перед студентом, а со спины к нему подносим безвредную крупинку радиоактивного вещества. Студентов поражает, что какие-то частицы пронизывают его тело насквозь, вызывая щелчки счетчика, как если бы занимаемый его телом объем был по большей части пуст. А ведь так и обстоит дело в действительности!)
Но если мы с вами по большей части пусты, то почему мы не можем проходить сквозь стены? В фильме «Привидение» герой Патрика Суэизи, убитый соперником, превращается в призрак. Каждый раз, когда он пытается прикоснуться к своей бывшей невесте, которую играет Деми Мур, у него ничего не получается Его руки проходят сквозь обычное вещество; он понимает что утратил вещественную составляющую и теперь просто плавает, не замечая твердых объектов. В одной сцене он засовывает голову в движущийся вагон метро. Поезд несется мимо, голова героя торчит сквозь летящую стену, но он ничего не чувствует (Фильм не объясняет, почему сила тяжести не заставляет героя провалиться сквозь пол и дальше до самого центра Земли. Судя по всему, привидения могут проходить сквозь любые вещи кроме твердого пола.)
И все же, почему мы не можем, подобно привидениям проходить сквозь твердые объекты? Ответ заключается в одном любопытном квантовом явлении. Принцип запрета Паули гласит что в одной квантовой системе два электрона не могут существовать в одном и том же квантовом состоянии. Поэтому при сближении два почти идентичных электрона отталкиваются друг от друга. Именно поэтому объекты представляются нам твердыми, что, вообще говоря, иллюзия. Реальность заключается в том, что вещество по большей части пусто.
Садясь на стул, мы думаем, что касаемся его поверхности На самом же деле мы зависаем чуть выше под действием электрических и квантовых сил стула и плаваем меньше чем в нанометре над сиденьем. Это означает, что любое «касание», условно мы не можем добиться непосредственного контакта. Атомные силы гарантируют, что между двумя объектами всегда остается какое-то расстояние. (Это означает также, что если бы мы научились нейтрализовать каким-то образом на время принцип запрета, то могли бы проходить сквозь стены. Однако никто не знает, как можно было бы это сделать.)
Квантовые силы не только не дают атомам сталкиваться друг с другом, но и связывают их в группы — молекулы. Представьте на мгновение, что атом похож на крохотную Солнечную систему с центральным светилом и обращающимися вокруг него планетами. При встрече двух таких систем планеты либо начнут сталкиваться между собой, либо разлетятся в разные стороны, а сами системы перестанут существовать. Солнечные системы не могут оставаться стабильными при столкновениях так что по идее атомы при столкновениях друг с другом должны были бы прекращать существование.
На самом деле при сближении два атома либо упруго отскакивают друг от друга, либо соединяются в стабильную молекулу. Вообще, если из атомов могут образовываться стабильные молекулы, то только потому, что некоторые электроны могут принадлежать одновременно двум атомам. С точки зрения здравого смысла такая ситуация представляется нелепой. Если бы электроны подчинялись интуитивно понятным законам Ньютона, это было бы невозможно. Но принцип неопределенности Гейзенберга гласит: мы не можем точно определить, где находится электрон. Вместо того чтобы кружить маленькой планетой вокруг атомного ядра, он оказывается размазан по общей электронной оболочке двух атомов, что и удерживает их вместе.
Иными словами, если «отключить» квантовую теорию (точнее, квантовые законы), все молекулы рассыплются при столкновениях и любой объект (в том числе и человеческое тело) превратится в облачко элементарных частиц. Именно квантовая теория объясняет, почему атомы могут существовать и сцепляться между собой, образуя твердое вещество, вместо того чтобы рассыпаться на отдельные частицы.
(Кстати говоря, поэтому вложенные миры невозможны. Некоторые воображают, что наша Солнечная система или даже Галактика на самом деле, возможно, является всего лишь атомом какой-то другой гигантской вселенной. Именно такой мир показан в финальной сцене фильма «Люди в черном»: вся известная нам Вселенная оказывается на самом деле лишь атомом шарика в руках у какого-то иномирного существа. Однако с точки зрения науки такая ситуация невозможна, потому что с изменением масштаба законы природы тоже меняются. Законы, которым подчиняются атомы, сильно отличаются от законов, которым подчиняются галактики.)
Вот некоторые принципы квантовой теории, которые непосвященному человеку покажутся слишком заумными:
•невозможно знать одновременно скорость частицы и ее положение в пространстве — здесь всегда присутствует неопределенность;
•частицы могут в определенном смысле находиться в двух местах одновременно;
•все частицы существуют как смесь различных состояний; к примеру, вращающиеся частицы могут представлять собой смесь частиц, оси которых вращаются одновременно вверх и вниз;
•вы можете исчезнуть здесь и появиться где-то в другом месте.
Все эти утверждения на первый взгляд звучат нелепо. Сам Эйнштейн однажды сказал: «Чем успешнее становится квантовая теория, тем глупее она выглядит». Никто не знает, откуда берутся такие странные законы. Ученые просто постулировали их — объявили истиной без всяких объяснений. Есть лишь одна вещь, которую можно сказать в оправдание квантовой теории: она верна. Ее верность измерена с точностью до одной десятимиллиардной, а это значит, что квантовая теория — самая точная и успешная физическая теория всех времен.
Однако в повседневной жизни мы не наблюдаем ничего, что хотя бы отдаленно напоминало перечисленные выше невероятные явления. Дело в том, что мы с вами состоим из множества триллионов атомов, и квантовые эффекты в некотором смысле усредняются и становятся незначимыми.
Двигать отдельные атомы
