Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Электронвольт (эВ). Единица энергии, подходящая для взаимодействия фундаментальных частиц на атомном уровне, где 1 эВ = 1,6 x 10^–19 Дж. Взаимодействия между атомами в молекулах обычно происходят с выделением энергии от 0,1 до 10 эВ, электроны удерживают связь с ядрами с помощью энергии от нескольких до нескольких сотен тысяч эВ (100 кэВ), а для ядерных процессов, как правило, характерна энергия в миллионы эВ (МэВ).

Элементы. 118 (от 1 до 94 – природные; от 95 до 118 – искусственные) основных строительных блоков всех веществ. Они определяются атомным номером (числом протонов; все версии от 1 до 118 способны существовать).

Энергия. Концепция, представляющая способность совершать работу – изменять величину или направление движения. Ее полезность проистекает из того, что энергия, способная принимать множество форм, никогда не создается и не уничтожается. Основные метрические единицы ее измерения – калория, которая представляет собой количество энергии, необходимое для поднятия температуры 1 грамма воды на 1 градус Цельсия, и джоуль; 4,184 Дж = 1 калория.

Ядро. Положительно заряженный массивный центр атома с характерным размером примерно 10–15 мкм, состоящий из протонов и нейтронов.

Примечания

Вступление

1. Изначально секунда определялась как 1/86 400 дня (24 часа x 60 минут (час) x 60 секунд (минута) = 86 400 секунд). Однако, поскольку продолжительность дня зависит от скорости вращения Земли и эта скорость меняется со временем, в 1967 году было принято новое определение, основанное на сверхтонком переходе Cs-133. Современные атомные часы настолько точны, что набирают погрешность в 1 секунду за 3 миллиарда лет – это примерно четверть возраста Вселенной.

Глава 2. Осмысление атома: от философии к науке

1. Bhaskar Jha, “A Critical Study About the Nyaya-Vaisesika Theory of Atomism”, International Journal of Research and Critical Reviews 5, no. 3 (2018): 920–923.

2. Это журнал с открытым доступом и платной публикацией, он не фигурирует в списке подозрительных хищнических журналов, который приводится по адресуcom/journals/, поэтому я предполагаю, что это источник, достойный доверия.

3. Опровергаемость ввел в качестве критерия истинной научной работы философ Карл Поппер в «Логике научного исследования» (1934).

4. Книга Стивена Гринблатта The Swerve: How the World Became Modern (New York: Norton, 2012) была удостоена Пулитцеровской премии и Национальной книжной премии. Цитата приводится на странице 187.

5. Поразительная история этой потери и возвращения блестяще рассказана в книге Гринблатта The Swerve, указанной в предыдущем примечании, хотя следует отметить, что, хотя история открытия, приведенная у Гринблатта, не подвергалась сомнению, характеристику Средневековья, которую он привел, резко критиковали (например, J. Hinch, “Why Stephen Greenblatt Is Wrong and Why It Matters”, Los Angeles Review of Books, December 1, 2012, и ссылки в книге).

6. S. Greenblatt, The Swerve, 220.

7. Saul Fisher, “Pierre Gassendi”, The Stanford Encyclopedia of Philosophy, ed. Edward N. Zalta, Stanford University, 2014, sec. 10,stanford. edu/archives/spr2014/entries/gassendi/.

8. G. Schilling, Ripples in Spacetime: Einstein, Gravitational Waves, and the Future of Astronomy (Cambridge, MA: Harvard University Press, 2017).

9. Antoine Lavoisier, Traite elementaire de chimie, presente dans un ordre nouveau et d’apres les decouvertes modernes (Paris: Chez Cuchet; Bruxelles: Cultures et Civilisations, 1965). Перевести название можно так: «Начальный учебник химии, изложенный в новом порядке и в соответствии с современными открытиями».

10. M. Bachtold, “Saving Mach’s View on Atoms”, Journal for General Philosophy of Science/Zeitschrift fur allgemeine Wissenschaftstheorie, 41, no. 1 (June 2010): 1–19.

11. B. J. Ford, “Brownian Motion in Clarkia Pollen: A Reprise of the First Observations”, The Microscope, 40, no. 4 (1992): 235–241.

12. S. Greenblatt, The Swerve, xx. Следует отметить, что танец пылинок в солнечном свете не совсем уместно сравнивать с микроскопическим движением пыльцевых зерен по Брауну, поскольку движущей силой последнего в действительности становятся статистически случайные столкновения отдельных молекул, тогда как макроскопические частички пыли перемещаются по воле воздушных потоков, представляющих собой скоординированное направленное движение триллионов молекул воздуха; однако в качественном отношении аналогия разумна. [Русский текст цит. по: Тит Лукреций Кар. О природе вещей / Пер. с лат. Ф. Петровского. – М., 1983. – С. 62–63.]

13. J. J. Thompson, “Cathode Rays”, The Electrician 39 (1897): 104. В этой статье были представлены первые экспериментальные доказательства того, что атомы действительно не являются «неделимыми», а состоят из более мелких частиц – Томпсон назвал их «корпускулами» – с отрицательным зарядом (теперь их называют электронами). Позже он представил атомы как «сливовый пудинг», в котором электроны были подобны изюминкам, хаотично распределенным в уравновешивающем, положительно заряженном тесте.

14. Ernest Rutherford, “The Scattering of ? and ? Particles by Matter and the Structure of the Atom”, Philosophical Magazine 21, no. 125 (1911): 669–688. В этой статье Резерфорд сообщает о поразительном результате эксперимента, который он провел вместе с Эрнестом Марсденом, в котором они рассеивали альфа-частицы (теперь известные как ядра Гелия), пропуская их через тонкую золотую фольгу, и обнаружили, что некоторые из них изменили направление и вернулись обратно к источнику. Резерфорд, как известно, заметил: «Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а он возвратился бы и поразил вас». Единственное правдоподобное объяснение заключалось в том, что положительный заряд альфа-частиц отталкивался положительным зарядом атома, который, в отличие от гипотетического рассредоточенного распределения атомной модели Томпсона, был сконцентрирован в крошечной части атома – в том, что мы теперь называем ядром.

15. Niels Bohr, “On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I”, Philosophical Magazine 26, no. 151 (1913): 1–24. В этой статье Бор излагает свою модель атома, учитывающую компактное ядро Резерфорда, и вводит в атомную структуру понятие кванта.

16. Max Planck, “On the Theory of the Energy Distribution Law of the Normal Spectrum”, in Verhandl. Dtsch. Phys. Ges. 2 (1900), p. 237. [Русский перевод: К теории распределения энергии излучения нормального спектра / Избранные научные труды: [пер. с нем. под ред. А. П. Виноградова] / М. Планк. – М.: Наука, 1975. – С. 251.] В этой статье, опубликованной на заре нового века, Планк вводит понятие «кванта» света, который мы теперь называем фотоном.

17. Albert Einstein, “Uber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt” [ «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света»] Annalen der Physik 17, no. 6 (1905): 132–148. Эта статья, в которой объясняется, как свет высвобождает электроны из атомов, стала первой из четырех статей Эйнштейна, созданных в 1905 году, его annus mirabilis, и именно за нее он был удостоен Нобелевской премии в 1921 году.

Глава 3. Атом: утилитарный взгляд

1. Есть и четвертое состояние материи, которое, по сути, составляет большую часть Вселенной, но очень редко встречается на Земле: плазма. Она обнаруживается только там, где температура превышает примерно 10 000 °C. Плазма состоит из вещества, в котором электроны оторваны от материнских атомов.

2. Если не верите, возьмите крышку банки размером с чашку кофе и попытайтесь сжать жидкость так, чтобы она занимала меньше места, – но подождите, пока кофе остынет, чтобы не получить ожогов первой степени.