Чудеса обычных вещей - Маркус Чоун

То направление в пространстве, в котором вероятнее всего обнаружить эти внешние электроны, строго определяет, каким образом один тип атомов состыковывается с другими типами, чтобы получить такие соединения, как полиэтилен, аммиак или метан. Химики изображают предпочтительные направления волн, ассоциированных с электронами, в виде «связей», расходящихся от атома на манер иголок, отчего он становится похож на ежика, — эти связи способны соединяться с иглами другого ежистого атома. Получается, что химия в конечном итоге — это электронная геометрия.

Наиболее стабильными оказываются те атомы, внешние оболочки которых полностью заполнены электронами. Поскольку у них нет электронных игл, торчащих во все стороны, то они не испытывают никакого желания соединяться узами с другими атомами. Им и так хорошо. Они надменны и равнодушны по отношению к другим атомам. Они совершенны. Именно это желание атомов достичь совершенства, обрести полноту жизни обусловливает практически всю химию. Например, атом хлора, которому не хватает всего одного электрона для заполнения своей внешней оболочки, готов отнять его у натрия, — а у того во внешней оболочке как раз один-единственный электрон. По окончании этой игры «ты — мне, я — тебе» внешние оболочки у обоих атомов будут заполнены. Соединение, получившееся в результате этого «брака по расчету», — не что иное, как хлорид натрия, обычная пищевая соль.

Но есть и другие пути достичь электронной нирваны. Вместо того чтобы один атом заимствовал электрон, а второй им жертвовал, два атома могут поделить свои внешние электроны, так что у каждого будет иллюзия завершенности внешней оболочки. Наиболее важным примером этого для нас — созданий, жизнь которых строится на углероде, — служит… ну да, конечно же, углерод. Поскольку во внешней оболочке у него четыре электрона, а максимальная емкость этой оболочки — восемь, каждый атом углерода имеет сильнейшее побуждение объединиться с другими атомами этого элемента. Четыре плюс четыре получается восемь — вот вам и дом полная чаша. Именно эта склонность атомов углерода вступать в однополые отношения — по сути, в множественные однополые отношения — и служит причиной существования на белом свете умопомрачительного количества длиннющих углеродсодержащих «молекул», из которых самые важные для нас — молекулы жизни, такие, как гигантская, неохватная двойная спираль ДНК.

Приношу извинения за «кровосмесительные» подробности того, как электроны располагаются в атомах, но другого пути у меня не было. Многообразие нашего мира проистекает из того, что в природе существует не один вид атомов, а множество. А тот факт, что существует много видов атомов, проистекает из другого факта: атомы обладают очень специфической внутренней структурой. Внутри атома существуют концентрические оболочки, каждая из которых может содержать строго определенное число электронов, при этом количество электронов в неполной внешней оболочке как раз и определяет поведение атома, будь то кальций, уран или золото. И в конечном итоге причина того, что атомы имеют такую специфическую структуру, как уже упоминалось, заключается в крайней замкнутости электронов, в их антиобщественном поведении.

Вообразите, что атомные орбитали — это ступеньки некой лестницы. Ближайшая к ядру орбиталь, обладающая самой низкой энергией, соответствует нижней ступеньке. Добавление электронов, отчего атом становится все тяжелее и тяжелее, равноценно раскладыванию электронов на первой ступеньке, а когда она закончится — на второй, третьей и так далее. Теперь необходимо сказать следующее. Все вещи склонны стремиться к состоянию с самой низкой энергией — это их стремление столь же несомненно, как несомненно стремление мяча скатиться со склона на дно низины и занять положение, в котором он будет обладать наименьшей «гравитационной энергией». Но для атома это означало бы, что электроны — хоть один, хоть 92 — должны устремляться к нижней ступеньке лестницы, к орбитали с минимальным энергетическим уровнем.

Если бы подобное происходило с атомами — если бы все электроны толпились на нижней орбитали, — то не существовало бы и такой вещи, как электронная оболочка с пределом заполняемости, который никоим образом не может быть превышен. А если бы не было электронных оболочек, то сама идея заполненной оболочки была бы лишена смысла. При отсутствии у атомов желания обрести заполненную внешнюю оболочку исчезла бы побудительная причина создавать межатомные связи. Все типы атомов вели бы себя одинаково антиобщественно. Не было бы никакого многообразия. Не было бы никаких различий. Не было бы и нас с вами.

Как видите, многообразие мира, по сути, говорит нам: должно быть что-то мешающее электронам сидеть друг на друге, какой-то закон природы, о котором ранее никто не подозревал, — закон, неким образом объясняющий внутреннюю структуру атомов. И такой закон есть. Он называется «принцип запрета Паули» — по фамилии швейцарского физика Вольфганга Паули, который и предложил его в 1925 году.

Принцип Паули (принцип запрета)

Паули едва перевалило за двадцать, когда в 1921 году он ворвался на научную сцену, написав обзор, посвященный общей теории относительности, который даже Эйнштейну сообщил кое-что новенькое о его собственной теории. Знаменитый своей прямолинейностью — или просто высокомерием (одни физики считали так, а другие эдак), — Паули был не прочь встать на лекции и сообщить лектору, что он говорит полную ерунду, невзирая на то, кто он и какова его репутация. Самомнение Паули было настолько высоким, что в физическом сообществе о нем был пущен анекдот примерно следующего характера.

Паули умирает и попадает на небеса. Бог спрашивает у него: есть ли в физике что-нибудь такое, о чем он, Паули, хотел бы узнать. Паули отвечает: да, есть; ему непонятно, почему постоянная тонкой структуры, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия, имеет значение 1/137,035 999 074, а не просто 1/137. Бог подходит к доске и начинает быстро покрывать ее уравнениями. Спустя короткое время лицо Паули озаряет победоносная ухмылка. Он выхватывает из рук Бога мелок и говорит: «Вот оно! Смотри, в этом месте ты допустил ошибку, и дальше все пошло не так».

Однако, несмотря на его чудовищный эгоизм, Паули был одним из влиятельнейших физиков XX века. В 1930 году он сделал свое знаменитое предсказание о существовании «нейтрино», призрачной частицы, которая уносит с собой энергию, «исчезающую» при радиоактивном бета-распаде. Эта частица поразительно увертлива: сквозь нас каждую секунду проносятся 100 триллионов солнечных нейтрино и атомы нашего тела им нисколечко не мешают. Уже одного открытия нейтрино было бы достаточно, чтобы Паули сделал себе имя. Однако знаменит он прежде всего своим принципом запрета, за который Паули в 1945 году получил Нобелевскую премию по физике.

Принцип запрета, сформулированный Паули, — один из самых удивительных эдиктов во Вселенной, и тем не менее он пользуется дурной славой: даже лучшие попытки физиков объяснить его на понятном всем языке терпели неудачу. Однако не пугайтесь. Первый шаг к пониманию — это снова оценить эксперимент с двумя прорезями и выудить из него кое-что еще, а именно: одно конкретное умозаключение, которое он позволяет сделать, имеет более общий характер, чем кажется на первый взгляд.

Вспомним: если нам удастся определить прорезь, сквозь которую проходит каждая частица, никакого зебрового интерференционного рисунка на втором экране не будет и в помине. Вместо этого частицы, проходящие сквозь прорези, равномерно распределятся по второму экрану. Исследование вопроса: каким образом определение прорези, через которую проходит частица, размывает интерференционную картину, — подталкивает к выводу, что сам акт наблюдения заставляет частицу, несущуюся сквозь пространство, рыскать в полете самым случайным образом. Это рыскание, эта «нервная дрожь» частицы, как и многое другое в квантовом мире, имеет фундаментальный характер, она от природы свойственна всем обитателям микроскопического царства и абсолютно неодолима. Она, эта дрожь, говорит нам: как бы мы ни старались одновременно определить и местоположение частицы, и ее импульс, нашим стараниям положен жесткий предел. Чем точнее мы устанавливаем местоположение, тем неопределеннее наше представление об импульсе. И наоборот. Вот такой компромисс.