Будова речовини – від класичних уявлень до сучасних

Понад дві тисячі років тому грецькі мислителі з характерним для них як би першим поглядом на світ замислювалися над проблемою будови речовини. Демокрит (від його робіт збереглися лише уривки) писав, що природа – це сукупність атомів, що рухаються в порожнечі. Конфігурацію атомів, їх рух пояснюють всі явища природи. Ця перша гіпотеза будови речовини була геніальною здогадкою про дійсну структуру світу. Демокрит і його послідовники думали, що в однорідному просторі, де всі крапки рівноправні, рухаються неподільні частини речовини, які групуються в макроскопічні тіла, утворюють живі істоти, небесні тіла, цілі світи. З них складається все буття.

Як не змінювалася ця концепція, вона зберігалася в своїй основі протягом століть. Тільки в XIX столітті вчені встановили, що стани великих множин частинок відрізняються специфічними законами від рухів окремих частинок і їх невеликих скупчень. Молекулярна фізика прийшла до висновку, що великі кількості часток підпорядковані статистичним законам. Тут ми стикаємося з необоротним переходом від менш імовірних станів до більш імовірних. Чи не все одно за цією статистичною картиною стоїть та ж класична картина рухомих частинок, що стикаються, нагадує античні уявлення Демокрита. І здавалося, що рухи та зіткнення недробимих частинок – це самий фундаментальний, вихідний образ науки.

У XIX столітті малювали ієрархію тіл: від великих – до все менших. Найменші з них, атоми, утворюють стійкі групи – молекули; з молекул складаються окремі видимі, макроскопічні тіла аж до планет і зірок, згрупованих в системи, з яких складається Галактика. Деякі думали, що ця ієрархія нескінченна, що існують тіла, більші, ніж Галактика, що вся Галактика, можливо, лежить під мікроскопом гігантського надгалактичного спостерігача. Думали іноді (особливо після відкриття електронів), що ієрархія нескінченна і в іншу сторону: існують субелектрони, потім менші частинки і т. д. До нескінченності, що електрон – це складна система, як наша Земля. Згадаймо вірші Брюсова:

Быть может, эти электроны
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков.

Але при всіх таких уявленнях складність системи завжди розуміли як структурну складність, як наявність менших самостійно існуючих частинок, що входять в дану систему. Елементарним утворенням вважали частку, яка володіє певним становищем в кожен момент і певною швидкістю.

Раптово цю усталену картину світу довелося замінити іншою – атом складається з електронів, але електрони не складають з субелектронів, з менших частинок. Складність електронів зовсім інша. Електрони мають хвильові властивості. У безперервному середовищі існують хвилі, які можуть складатися або взаємно погашатися. Вони (і в цьому основа класичної науки) не мають властивостей частинок, так само як частки не мають властивості хвиль. Такі хвилі на поверхні води, такі, як колись думали, електромагнітні хвилі – коливання електричного і магнітного поля, які пояснюють поширення світла і є самі не чим іншим, як світлом. Так ось, електрон володіє хвильовими властивостями. Його рух описується хвильовим рівнянням, що дозволяє обчислити для кожної миті значення деякої величини, що коливається – хвильової функції.
Ще раніше, ніж була відкрита хвильова природа елементарних частинок (її виявили в середині двадцятих років), Ейнштейн встановив, що електромагнітні хвилі, тобто світло, мають властивості частинок.

Все це було нелегко зрозуміти. Що таке електрон! У деяких явищах він поводиться як частинка, в інших – як хвиля. Один фізик говорив, що електрон доводиться розглядати як частку по понеділках, середах і п’ятницях і як хвилю по вівторках, четвергах і суботах.

Хвильові властивості електрона (як незабаром виявилося, і інших частинок) не дозволяють визначити в одному експерименті з великою точністю положення електрона і його швидкість. Це було сильним ударом по класичним уявленням. Вважали, що завжди в принципі можна визначити, де знаходиться електрон в даний момент часу і з якою швидкістю він рухається. Таке уявлення дозволяло думати, що, знаючи положення і швидкість електрона в даний момент, в принципі можна дізнатися його подальшу долю. І ось довелося навчитися думати по-іншому. Саме навчитися по-іншому думати; адже йшлося про нову квантову логіку. Стара логіка допускала лише дві відповіді на питання про становище електрона в даний момент: електрон або знаходиться в даній точці, або не перебуває в ній. Тепер довелося мати в резерві і третю відповідь: поряд з «так» і «ні» ще «невизначено».

Ця логічна трудність була пов’язана з колосальними успіхами науки. В першу чергу вона дозволила по-новому пояснити будову речовини, а саме будову атома. На початку минулого століття після знаменитих дослідів Резерфорда, який відкрив атомне ядро, вже знали, що атом нагадує сонячну систему. Навколо позитивного ядра обертаються на різних орбітах електрони. Нільс Бор, будуючи модель атома, припустив, що електрони можуть обертатися лише за деякими «дозволеними» орбітами. Електрони рухаються цими орбітами, не випромінюючи енергії, випромінювання ж пов’язане з переходом електрона з однієї орбіти на іншу.

Але чому тільки деякі орбіти виявляються «дозволеними», а інші – «забороненими»? Відповідь на це питання була отримана лише в двадцяті роки. «Дозволені» орбіти пов’язані з хвильовими властивостями електрона, з хвильовими процесами, які зіставляються рухам електрона. Далі з’явилося уявлення про хвилі як про вільні ймовірності. Коливається і хвилеподібно поширюється ймовірність перебування електрона в даному місці. При подальшому розвитку вчення про будову речовини стали відомі ще більш парадоксальні, ще більш далекі від класичних особливості мікросвіту. Пізнання їх докорінно змінить наші уявлення про світ.

Автор: Б. Кущнецов.