Что общего у одного греческого философа
и квакера из XIX века
с учёными, получившими Нобелевскую премию?
Хотя их разделяет более 2 400 лет,
каждый из них внёс лепту в решение вечного вопроса:
из чего состоит все вокруг?
Около 440 до н. э. Демокрит впервые предположил,
что всё состоит из мельчайших частиц,
окружённых пустым пространством.
Более того, он допускал, что частицы различаются по форме и размеру
в зависимости от материи, которую они составляют.
Он назвал их «атомы», что по-гречески означает «неделимые».
Более признанные философы того времени возражали Демокриту.
Аристотель, к примеру, был категорически не согласен,
утверждая, что материя состоит из четырёх элементов:
земли, воздуха, воды и огня.
Большинство учёных пошли по его стопам.
Атомы остаются забытыми вплоть до 1808,
когда Джон Дальтон, учитель-квакер, решит оспорить теорию Аристотеля.
Если атомизм Демокрита был чисто теоретическим,
Дальтон показал, что одни и те же вещества распадаются на одинаковые элементы
в одинаковых пропорциях.
Он заключил, что сложные структуры —
это комбинации атомов разных элементов,
каждый определённого размера и массы,
которые не могут быть ни созданы, ни уничтожены.
Хотя он получил много наград за свою работу,
Дальтон жил скромно до конца дней, как и положено квакеру.
Наконец-то атомарная теория была принята научным сообществом,
но следующий значительный шаг
будет сделан практически через век,
когда физик Дж. Дж. Томсон в 1897 году откроет электрон.
В том, что мы можем назвать «пудинговой моделью атома»,
он обозначил атомы как положительно заряженные облака,
начинённые отрицательно заряженными электронами.
В 1906 Томсон получил Нобелевскую премию за открытие электрона,
но его модель атома не продержалась долго.
Это все потому, что у него были слишком умные студенты,
например, некий Эрнест Резерфорд,
который стал известным как «отец» ядерной физики.
Изучая эффекты рентгеновских лучей на газы,
Резерфорд решил исследовать некоторые атомы более пристально
путём пропускания положительно заряженных альфа-частиц через золотую фольгу.
Согласно модели Томсона,
рассеянного положительного заряда атома
не хватит, чтобы отразить частицы.
Всё равно как горсть теннисных мячиков
продырявила бы тонкую бумажную ширму.
Но в то время как большинство частиц прошли сквозь фольгу,
остальные всё-таки были отражены,
что значило, фольга напоминала сетку c огромными ячейками.
Резерфорд заключил, что львиную долю атома занимает пустое пространство
с парой-тройкой электронов,
а практически вся масса сосредоточена в центре,
который он назвал ядром.
Альфа-частицы просочились через «окна»,
но отразились от плотного, положительно заряженного ядра.
Тем временем, атомарная теория ещё не была завершена.
В 1913 году другой студент Томпсона, Нильс Бор,
внёс поправки в модель Резерфорда.
Опираясь на работы Макса Планка и Альберта Эйнштейна,
он обосновал, что электроны вращаются по орбите вокруг ядра
с постоянной энергией и на фиксированном расстоянии.
Они прыгают между уровнями, но не могут находиться в пространстве между ними.
Планетарная модель Бора стала основной,
но вскоре и она столкнулась с противоречиями.
Эксперименты показали что электроны скорее ведут себя как волны,
чем как отдельные частицы,
потому что они не привязаны к конкретному месту в пространстве.
В своём знаменитом принципе неопределённости,
Вернер Гейзенберг обозначил, что невозможно точно определить
сразу и позицию, и скорость электронов,
движущихся вокруг атома.
То, что атомы не находятся на конкретных местах,
а существуют в пределах возможных позиций,
дало начало современной квантовой модели атома —
завораживающей теории с новым набором сложностей,
пользу которой ещё предстоит осознать.
Хотя наши представления об атоме продолжают меняться,
само их существование не подвергается сомнению,
так что давайте отпразднуем триумф атомарной теории
салютами.
Электроны, перемещаясь между энергетическими уровнями,
поглощают или высвобождают энергию в форме световых волн определённой длины,
результат чего — все чудесные цвета, которые мы видим.
Представляется Демокрит, глядящий на это,
довольный, что через два тысячелетия
оказалось, что он всегда был прав.