Электронные орбиты в атоме радия (по Нильсу Бору) - микромир, полный симметрии и красоты

Согласно Бору, на любом разрешенном в его модели энергетическом уровне (находящемся на определенном расстоянии от ядра) допускается одновременное пребывание не более некоторого максимального числа электронов. На основе модели Бора можно предсказать, сколько электронов имеет тот или иной атом и как они распределены вокруг его ядра.

К 1926 г. физики-атомщики выяснили, что каждому электрону и вообще всякой элементарной частице присущ «спин». В упрощенном модельном изображении мы представляем себе частицы как маленькие шарики, вращающиеся вокруг своей оси (подобно Земле!) (По современным представлениям, спин (собственный момент импульса элементарной частицы) имеет квантовую природу, он не связан с движением частицы как целого в пространстве и не поддается описанию с позиций классической динамики, то есть не может быть представлен наглядно. - Прим. перев). Этот спин нельзя ни увеличить, ни уменьшить, он всегда сохраняет постоянную величину. Спин элементарных частиц имеет постоянную величину; для большинства частиц он равен Л/2π, или просто 1/2 , как принято в сокращенной форме записи.

Распад πsup+/sup -мезона. Янг и Ли доказали, что природа в данном случае действует несимметрично! В 'антимире' тоже существует лишь один вариант распада πsup+/sup -мезона

С этих пор нам стало известно, что атомы гораздо сложнее, чем предполагал Нильс Бор. Однако наиболее существенные идеи, положенные в основу модели Бора, - возможность описания строения атома с помощью квантовых чисел, ограничения, наложенные на электронные орбиты, - полностью справедливы и поныне.

ЗАГЛЯНИ В ЭЙНШТЕЙНА!

Неспециалистам в области физики из всей теории относительности знаком по большей части только парадокс времени, часто называемый также «парадоксом близнецов». Космический корабль со скоростью, близкой к световой, несется сквозь просторы Вселенной. Вследствие этого часы на нем должны идти медленнее, чем на Земле. Когда космонавты через два или три года (по их счету) возвратятся на Землю, то окажется, что там протекли столетия. Однако этим вопросом мы здесь заниматься не станем, а обратимся к проблемам симметрии, связанным с теорией относительности.

Математик Герман Вейль (1885-1955) рассмотрел (1929 г.), как будет вести себя элементарная частица, движущаяся в пространстве со скоростью, равной или близкой скорости света, и вместе с тем обладающая спином. Приняв в качестве модели вращающийся шар и следя за одной точкой на его поверхности, Вейль нашел, что эта точка прочертит в пространстве либо право-, либо левостороннюю винтовую линию, то есть спираль.

Пока наблюдатель стоит (или передвигается, но медленнее, чем «летит» шар), он видит приближение этой спирали, ее прохождение мимо него и наконец удаление при той же ориентации вплоть до исчезновения. Что произойдет, однако, если наблюдатель движется быстрее, чем частица? Подобные вопросы, затрагивающие относительные скорости двух движущихся тел, играют в теории Эйнштейна существенную роль.

Допустим (вместе с Вейлем), что для покоящегося наблюдателя частица имеет правый спин; тогда движущийся наблюдатель, летящий со сверхсветовой скоростью, увидит у той же частицы левый спин. Моделью сказанного может служить железнодорожный поезд, незаметно трогающийся с места. Глядя в окно, вы видите, что отъехал, и притом в обратном направлении, поезд, стоявший на соседнем пути. Но возможно ли в действительности наблюдение над спином, подобное тому, которое мы только что допустили? Нет! Ибо, согласно теории относительности, скоростей, превышающих скорость света, не бывает. Так что, если мы определили у выбранной Вейлем частицы правую спираль, то она и должна быть правой спиралью. И наоборот, если наблюдалась левая спираль, то она и есть левая спираль. Профессор Вейль просчитал все варианты этой задачи. Он полагал, что, уже исходя из одних только соображений симметрии, должны существовать частицы без массы с левыми или правыми спиралями. Но в ту пору еще не знали частиц, которые могли бы обладать теми свойствами, какие приписал им профессор Вейль. Поэтому его соображения не вызвали большого интереса. В последующие годы физики-атомщики совершили необычное открытие. Они обнаружили в атомных ядрах частицу, не несущую электрического заряда. Назвали ее нейтроном. При распаде нейтрона возникали положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон. С сохранением заряда все было в порядке. Но точные измерения показали, что закон сохранения энергии и массы не выполняется.

После того как было установлено, что возможность ошибки измерения тут исключена, встал вопрос о нарушении в этом процессе закона сохранения энергии и массы. Но такого положения ни в коем случае нельзя было допустить, ибо это значило бы объявить несостоятельной всю физику. В качестве «временного выхода» физики приняли, что в процессе распада нейтрона участвует элементарная частица с особыми свойствами. Во-первых, у нее не должно было быть массы покоя. Во-вторых, она должна была иметь нулевой электрический заряд.

Энрико Ферми (1901-1954) дал этой частице подходящее название - нейтрино - то есть маленькая нейтральная частица. Тем временем физики доказали существование нейтрино, а с 1956 г. они получают такие частицы в своих ядерных реакторах. Поразительна сама идея о том, что есть частица (теперь их стало несколько), не имеющая ни инертной массы, ни заряда, которой свойственно только «вращение», - спин.

Вопрос - что же, собственно, в таком случае «вращается» - начисто лишен смысла. Ведь наши шары или стрелки на бумаге (см. рисунок) суть только наглядные модели.

Английский математик Чарлз Л. Додсон (1832-1898), широко известный как Льюис Кэрролл, автор знаменитой «Алисы в Стране Чудес», придумал в своей сказке кота, который умел улыбаться. Мало того, этот Чеширский кот исчезал, но его улыбка оставалась. Так вот, улыбка без кота очень напоминает «вращение» при отсутствии массы и заряда.

В предыдущем разделе мы уже говорили о распаде π⁺ -мезона. Одним из продуктов его распада и является нейтрино. Согласно теории профессора Ли, при распаде π⁺ -мезона рождаются только нейтрино с правым спином и никогда не возникают нейтрино, имеющие левый спин (антинейтрино). В «антимире» все, разумеется, происходит наоборот.

Пространство, заполненное нейтрино с их направлением движения и с их спином, однозначно обнаруживает правостороннюю структуру (Считается, что на долю нейтрино приходится основная масса материи во Вселенной. - Прим. перев). Многие физики предполагают, что это явление как-то связано с тем, что наш мир изогнут или искривлен или по крайней мере обладает каким-то иным строением, нежели то, которое мы «видим» своими глазами. Именно такие мысли, должно быть, приходили в голову профессору Вейлю, когда он изучал с помощью теории относительности движение частиц со спином.

Нейтрино столь слабо взаимодействуют с другими частицами, что они беспрепятственно проходят сквозь твердые тела и толщу земли. Поэтому места регистрации нейтрино располагаются в рудниках, глубоко под землей. Все другие элементарные частицы застревают в защитном слое горных пород толщиной в несколько сотен или тысяч метров. И только нейтрино в состоянии проникнуть на такую глубину практически беспрепятственно.

За прошедшие годы было открыто еще два новых вида нейтрино. Вследствие этого симметрия пространства становится еще более запутанной.

ОТРАЖЕННЫЙ СПИН

Нужно сразу же подчеркнуть, что «действительность» отличается от ее описания в данном разделе в такой же мере, в какой модель атома Бора не похожа на действительное строение атома. Пока мы не теряем этого из виду, такой метод является вполне допустимым и научным.