Начнем с того, что все знают или догадываются. Окружающий нас мир состоит из атомов. Это понятные повседневному опыту материальные объекты, иногда видимые даже в микроскоп (правда, электронный). Одно время считалось, что атомы — мельчайшие неделимые частицы. Причем, идею выдвинули аж древние греки, которые слишком много думали о возвышенном, но потом римляне, а следом и христиане, переключились на другие проблемы, и вопрос о составе материи стал не актуален: крестовые походы сами себя не организуют. И только в 1789 году один юрист по имени Антуан Лавуазье вернулся к крамольным мыслишкам об атомах, открыв дверь богомерзкой науке о веществе.

Мы знавали альтернативно образованных людей, которые уверяли, что атомов никто не видел, потому что они из тонких тел. Не верьте таким людям — сейчас все можно увидеть в Инстаграме. В интернетах легко находится, например, фотография атомов кремния, сделанная с помощью сверхвысоковакуумного сканирующего туннельного микроскопа.

В общем, мир был бы прост и замечателен, если бы атом был мельчайшей деталькой всего сущего. Ученые готовились объявить о завершении научных исследований и формулировке окончательной фундаментальной теории. Но всегда находится человек, который все портит: в 1897 году Томсон баловался с током и нечаянно открыл электрон. Стараясь сохранять спокойствие, он решил, что атом — это смесь отрицательно и положительно заряженных частиц (как булка с изюмом — любимый пример из учебников физики). Если подумать, это многое объясняло.

Но предположение Томсона долго не прожило, потому что в 1909 году Эрнесту Резерфорду вздумалось пострелять альфа-частицами по тяжелым атомам (а точнее по кусочку тоненькой золотой фольги) — видите, на что они тратят гранты?

Внезапно некоторые альфа-частицы не проходили сквозь фольгу, а иногда отскакивали от нее. Резерфорд обнаружил, что в центре атома есть что-то такое крупное и прочное, что отбивает альфа-частицы.

Да, для справки: альфа-частицы представляют собой два нейтрона и два протона (они же ядра атома гелия). Альфа-частицы возникают при радиоактивном распаде и являются наиболее безопасным видом радиоактивного излучения. Резерфорд сам их открыл чуть ранее, и игрался с ними, не очень понимая, что это такое.

Итак, научному миру открылась тревожная картина. Атом, по всей видимости, представляет собой ядро, вокруг которого по некоторым орбитам-траекториям летают электроны.

Давайте осознаем масштабы бедствия. Размер ядра атома таков, что если расстояния в атоме перенести на макрообъекты, то площадь атома в разрезе будет равна, скажем, площади стадиона, а ядро атома тоже увеличится — до размеров теннисного шарика в центре этого стадиона. Теперь представьте, сколько пустоты внутри атома и ужаснитесь — мы все состоим из ничего и чуточки материи. Поэтому, когда ваш начальник или ваш бывший партнер говорят, мол, «ты — пустое место» то это не очень-то и оскорбление. Хотя если они это постоянно говорят, то, может, дело не в физике атома… Эх… Так, о чем это мы?

Значит, что получается: масса ядра составляет более 99.9 % массы атома. То есть электроны почти ничего не весят. В человеке весом около 68 кг масса всех его триллионов электронов составит всего 14 граммов.

Как только ученые открыли все эти орбиты и ядра, прогрессивная общественность сразу решила, что атом похож на Вселенную с ее солнечными системами. Мол, ядро — это Солнце, а электроны — это планеты, которые вращаются вокруг «солнца». Один японец даже попытался рассчитать, как это должно было бы выглядеть по аналогии с кольцами Сатурна. Мир был так иллюзорно близок к счастью понимания фундаментальных законов. Всё казалось логичным и таким глубоко философским: малое в большом, большое в малом. Но нет: Природа тот еще толстый тролль и, кажется, неисчерпаемый в своих коварных шутках.

Во-первых, электроны в отличие от планет вращались вокруг ядра не из-за гравитационных сил (а вследствие другого вида взаимодействия — электромагнитного). Во-вторых, электроны почему-то не теряли энергию и не падали на ядро. В-третьих, как потом оказалось, электроны и не частицы вовсе, а неведомое квантовое не-пойми-что.

В общем, планетарная модель атома провалилась. Но до сих пор, спустя более чем сто лет, находятся отнюдь не домохозяйки, задающие осточертевший всем физикам вопрос, а что если атомы это маленькие вселенные? Если вы видите в статье, которая рассказывает о гармонии мироздания и материальности мысли, фразу, мол, атом — это копия или проекция солнечной системы, бегите оттуда! Ну или нагадьте в комментах, чтобы испортить настроение мракобесам.

Когда художники вот так рисуют атом, то они заблуждаются в размерах более чем полностью. И не только в размерах.

Теперь мы немного расскажем про электрон (о нем мы заделали отдельную крутую лекцию).

На сегодняшний день нам думается, что электрон — неделимая частица. Всё! — разломать его не на что! Поэтому электрон относят к так называемым лептонам. Это такой класс неделимых частиц, в него кроме электрона входят еще нейтрино и мюоны — последние вообще не стабильны, живут миллионные доли секунды и, бес его знает, зачем они вообще нужны этой Вселенной.

Электрон имеет отрицательный заряд, очень маленькую по сравнению с атомом массу, и, самое главное, количество электронов в атоме определяет химические свойства вещества. И да, он ответственен за существование электрического тока.

Как мы уже сказали, поначалу казалось логичным, что электроны в атоме летают по разным орбитам, удаленным от ядра на разные расстояния.

И все было бы прекрасно, если бы в начале XX века некоторые особо упорные физики, которым не нравилась пара несущественных проблем, связанных с классической картиной устройства атома, не решили докопаться до сущности этих проблем. И они дооткрывались до того, что все стало еще хуже. Собственно, так появилась квантовая физика.

Электрон «летает» строго по определенным траекториям (правильно сказать, по орбиталям — особым областям пространства вокруг ядра). И переходит с одной орбитали на другую при помощи телепортации. Электрон, переходя на другой уровень, теряет или поглощает квант энергии, на меньшее расстояние он переместиться не способен, так как квант — неделимый «кусочек» затраченной энергии. То есть, представьте, летает спутник вокруг нашей планеты на высоте 36 тысяч километров. Потом, бах, и он уже на высоте 38 тысяч километров без всякого видимого перемещения. Такого в нашем «большом» мире быть не может, а в мире квантовых явлений — запросто. Мы еще вернемся к этим интригующим явлениям.

Во-вторых, выяснилось, что электрон даже и не частица, а волна. И вообще он не летает вокруг ядра, а находится в каждой точке орбитали одновременно, если его специальным образом не ловить. В теории он скорее похож на облачко вокруг ядра атома с формой этой самой орбитали. И как только начинаешь опытным путем выяснять, где он находится, то он внезапно из волны превращается в частицу, типа, вот он я.

Если опять проводить грубую аналогию, то представьте, что враги запустили спутник-шпион, и вы никакими расчетами не можете обнаружить, над какой точкой планеты он сейчас летает. Вернее, вы считаете по классическим формулам, но они дают ошибочные координаты: в расчетных местах спутника почему-то нет. А какой-то сумасшедший гений показывает вам безумные формулы и говорит, что на самом деле спутник находится в каждой точке на орбите. Однако только по этим специальным формулам можно рассчитать места, где спутник окажется с наибольшей вероятностью (большего не просите), и пальнуть туда из пушки. Глупость какая-то, скажете вы. В нашем мире — да, а в квантовом — обычное дело.