Рис. 5. Частица и волна

Это свойство материи и света очень необычно. Кажется невероятным, что что-то может одновременно быть частицей — единицей чрезвычайно малого объема, замкнутой в ограниченном пространстве, — и волной, «размазанной» по большому участку.

Это противоречие породило большинство напоминающих коаны парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Всё началось с открытия Макса Планка, показавшего, что энергия теплового излучения испускается не непрерывно, а «пакетами». Эйнштейн назвал их «квантами» и увидел в них основополагающий элемент природы. Он утверждал, что электромагнитное излучение может существовать не только в форме волн, но и в форме квантов. С тех пор кванты света рассматриваются как реальные частицы и называются фотонами. Они лишены массы и всегда движутся со скоростью света.

Мнимое противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось неожиданно, поставив под вопрос основу механистического мировоззрения — понятие реальности материи. Внутри атома материя не существует в определенных местах, скорее, она «склонна существовать». Атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом, скорее, «могут происходить». Язык формальной математики в квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн. Вот почему частицы могут одновременно быть волнами. Это не «настоящие» трехмерные волны, как, например, звуковые или волны на поверхности воды. Это «вероятностные волны» — абстрактные математические величины со всеми свойствами волн, связанные с вероятностью существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем уверенно говорить о том, что происходит с атомом; мы можем только сказать, насколько вероятно, что это произойдет. Квантовая теория разрушила классические представления о твердых телах и строгом детерминизме природных законов. На субатомном уровне место твердых материальных объектов классической физики заняли волнообразные вероятностные модели, которые к тому же отражают вероятность существования не вещей, а скорее, их взаимосвязей. Тщательный анализ наблюдений в атомной физике показал, что субатомные частицы не имеют смысла в виде самостоятельных объектов, а могут пониматься лишь как промежуточное звено между подготовкой эксперимента и последующими измерениями. Таким образом, квантовая теория свидетельствует о фундаментальной цельности мироздания, показывая, что мы не можем разложить мир на «строительные блоки». Проникая в глубины материи, мы видим не самостоятельные компоненты, а сложную систему взаимоотношений между частями единого целого. Важную роль здесь играет наблюдатель. Это конечное звено в цепи, а свойства любого объекта мира атомов могут быть поняты только в рамках его взаимодействия с наблюдателем. Классический идеал объективного описания природы уже не действует. Имея дело с атомной реальностью, нельзя придерживаться картезианского разделения Вселенной и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя говорить о природе, не говоря одновременно о нас.

Новая теория строения атома сразу смогла решить несколько загадок, перед которыми оказалась бессильна планетарная теория Резерфорда. Прежде всего эксперименты Резерфорда показали, что атомы, образующие твердую материю, состоят почти целиком из пустого пространства, если рассматривать их с точки зрения распределения массы. Но если всё вокруг человека, как и сам он, состоит в основном из пустоты, почему мы не можем проходить сквозь запертые двери? Что придает плотность веществу?

Вторая загадка — невероятная механическая стабильность атомов. Например, в воздухе они сталкиваются друг с другом миллионы раз в секунду и каждый раз возвращают себе прежнюю форму. Никакая планетарная система, подчиняющаяся законам классической механики, не вышла бы из таких столкновений неизменной. А число электронов в атоме кислорода всегда одинаково, сколько бы они ни сталкивались с другими атомами. Два атома железа, а следовательно, и два железных бруска абсолютно идентичны, где бы они ни находились и что бы с ними ни происходило до этого. Квантовая теория показала, что эти свойства атомов обусловлены волновой природой их электронов. Твердость материи — результат типичного «квантового эффекта», обусловленного двойственной корпускулярно-волновой природой материи и не имеющего аналогов в обычном мире. Когда частица находится в ограниченном пространстве, она начинает реагировать на эту «стесненность» более активным движением. И чем сильнее ограниченность пространства, тем выше скорость.

В атоме действуют две противоположные силы. Электроны привязаны к ядру электрическими силами, которые стремятся удержать их как можно ближе к ядру. Но они реагируют на это, увеличивая скорость движения, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость. В ограниченном пространстве атома она может достигать тысячи километров в секунду![53] Поэтому атом воспринимается как жесткая сфера, так же как вращающийся пропеллер похож на диск. Очень сложно больше сжать атомы, поэтому они придают материи привычный нам твердый вид.

Электроны в атоме размещаются на разных орбитах, чтобы уравновесить притяжение ядра и противодействие ему. Но орбиты электронов очень отличаются от орбит планет Солнечной системы в силу их волновой природы. Атом нельзя изобразить в виде маленькой планетарной системы. Мы должны представлять себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам. Каждый раз, производя измерения, мы обнаруживаем электроны в какой-то другой точке орбиты, но не можем сказать, что они «вращаются вокруг ядра» в понимании классической механики.

На орбитах эти электронные волны формируют замкнутые паттерны «стоячих волн». Они возникают всегда, когда волны ограничены в некотором пространстве, как, например, упругие колебания гитарной струны или воздушные колебания внутри флейты (рис. 6).

Рис. 6. Стоячие волны в вибрирующей струне

Стоячие волны могут иметь ограниченное число очертаний. В случае с электронами внутри атома это значит, что они способны существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих определенный диаметр. Например, электрон атома водорода будет находиться только на своей первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда оказывается на нижней орбите — в «стационарном состоянии». Оттуда электрон, получив необходимое количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что он в «возбужденном состоянии», из которого может перейти в стационарное, отдав избыточное количество энергии в виде фотона, или кванта электромагнитного излучения. Все атомы с одинаковым числом электронов характеризуются одинаковыми очертаниями орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэтому два атома — например, кислорода — абсолютно идентичны. Приходя в возбужденное состояние, сталкиваясь в воздухе с другими атомами, они могут измениться, но в итоге неизбежно возвращаются в одно и то же «стационарное состояние». Именно волновая природа электронов обусловливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.

Следующее характерное свойство состояний атомов состоит в том, что они могут быть полно описаны при помощи ряда целых чисел, получивших название квантовых и обозначающих местонахождение и форму электронных орбит. Первое квантовое число — номер орбиты, определяющий количество энергии, которым должен обладать электрон, чтобы находиться на ней; два других характеризуют точную форму волны на орбите, а также скорость и направление вращения электрона[54]. Поскольку эти параметры выражаются целыми числами, момент вращения электрона увеличивается не постепенно, а скачкообразно: от одной фиксированной величины к другой. Большие значения квантовых чисел соответствуют возбужденным состояниям атома, а электроны атома, находящегося в стационарном состоянии, расположены на максимально низких орбитах и имеют минимально возможное количество вращения.