Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Знаете, один из самых распространенных вопросов, который мне попадается при работе с физикой материалов и физикой частиц как её составляющей — это а почему это вдруг мы должны поверить, что [вставить любую частицу по вкусу (электрон, кварк, атом, протон)] и правда есть. Можно ли это доказать?
Увы, здравая доля скепсиса вполне оправдана. Если вы вспомните, как обнаруживаются частицы в современных экспериментах, то это всегда будет что-то типа камеры Вильсона или любой другой косвенный эксперимент. Ведь просто взять и сфотографировать частицу мы не можем. Но к счастью, если говорить про атомы, относительно которых под моими роликами про материю и вещество тоже весьма активно писали, что их не существует, то тут всё будет немного проще.
Давайте начнем с Дальтона и его закона кратных отношений в начале 1800-х годов. Дальтон повторил этот эксперимент с несколькими веществами, но обнаружил, что вещества объединяются только в определенных, целых пропорциях (по массе). Например, он взял два вещества (которые мы теперь знаем какFe2O3Fe2O3иFe3O4Fe3O4), и разложил их на железо и кислород. В качестве примечания, он не понимал железо и кислород как элементы, но так уж получилось, что он смог разложить эти два вещества на железо и кислород.
Он обнаружил, что если вы масштабируете вещи так, чтобы извлечь одинаковое количество, скажем, железа из этих двух разложений, то масса кислорода, которую вы получаете из каждого вещества, может быть выражена как целочисленное отношение. Фактически, целочисленное отношение с небольшими целыми числами.
Все это воодушевляло сторонников атомной теории. Вскоре за ними последовал Антуан Лавуазье, предложивший закон сохранения массы.
Примерно в то же время Авогадро более или менее продемонстрировал, что, выражаясь современным языком, равные объемы/температуры/давления газа содержат одинаковое количество молекул.
Только эти три факта предполагают нечто, по крайней мере, довольно близкое к атомной теории: материя существует в виде маленьких неделимых частиц, и эти частицы объединяются, образуя объекты, а объекты можно разложить на кусочки.
Кульминацией стал Менделеев и его периодическая таблица, в которой он организовал 50 с лишним элементов в удивительно правильную схему.
Мы знали об элементах, но не обязательно знали так много об атомах. Другими словами, мы знали об огромном количестве веществ. И мы могли делать с этими веществами разные вещи. Например, сжигать. Но группу особых веществ или элементов мы не могли разложить дальше, как бы мы ни старались.
Между тем, в течение 19 века мы начали немного лучше понимать электричество и магнетизм. В конце концов мы поняли, что существуют положительные и отрицательные заряды, и что электроны существуют не столько как субатомные частицы, сколько как носители заряда.
Следующее крупное достижение было связано с броуновским движением. Любой, кто когда-либо смотрел в окно, замечал, что частицы пыли хаотично движутся в воздухе или на поверхности воды. Это было не очень хорошо понято, но не менее, чем Эйнштейн, объяснил это с точки зрения атомной теории. Не вдаваясь в подробности, если материя включала маленькие мячики, летающие вокруг, броуновское движение имело большой смысл.
С тех пор сформировалось огромное количество моделей атомов — от Пуддинга с изюмом до Шрёдингера. Но всегда атом был во главе угла. Получилось нечто интересное — теории были настолько совершенны, что фотографии атома просто уже были никому не нужны. Все гипотезы хорошо коррелировали с атомом как структурной единицей материи и сопрягалось с самыми разными физическими явлениями.
И теперь зажмурьтесь. Технически, атомы вообще не существуют. Они являются полезной МОДЕЛЬЮ, которую мы используем для описания массы-материи. Атомы есть «на бумаге». Каждый атом во Вселенной имеет один и тот же базовый состав (на бумаге). Конструкция атомов отличается от модели к модели. Наиболее распространенной является модель, в которой протоны и нейтроны компактно и плотно забиты в ядре атома (называемым ядром), а электроны вращаются вокруг этого ядра. Но это не совсем тоже самое, что их нет. Технические и практически тут не синонимы.
Ну и фотографий атома существует огромное количество. То, что вы видите — это электронные оболочки отдельных атомов.
Электроны, протоны и кварки имеют фундаментальные величины (FQ) массы/энергии и заряда, и у них есть свойства скорости, следовательно, у них есть FQ пространства и времени. Даже нейтроны, которые технически нейтральны по заряду, можно считать имеющими заряд, потому что считается, что они состоят из кварков. Кварки, из которых состоит нейтрон, имеют заряд. Так уж получилось, что их заряд в сумме равен нулю. Поскольку наши модели атомов являются конструкциями материи, которые в основном являются FQ, мы можем сказать, что на самом деле атомы не существуют. Но на практике это ничего не меняет.
Это как представить что какая-то виртуальная собака вдруг вышла из экрана компьютера и больно вас укусила. Она существует? И да, и нет. Она электронная и поддерживается системой как голограмма. Но стал ли укус менее неприятным? Нет. Также и с атомом. Чем бы он в итоге не являлся, есть реальные его проявления и с эти не поспорить.