Концепция атомной пустоты – одна из самых повторяемых ошибок в научно-популярной среде. Молекулы заполнены веществом.
Камера увеличивает изображение руки человека, показывая клетки, затем ядро клетки. На экране вырастает нить ДНК. Камера фокусируется на одном атоме в этой нити, ныряет в бешеное облако летящих частиц, пересекает его и оставляет нас в гнетущей темноте. Изначально незаметная крошечная точка плавно растет, обнажая атомное ядро. Рассказчик торжественно заявляет о том, что ядро атома в десятки тысяч раз меньше самого атома, и поэтично заключает, что мы состоим из пустоты.
Как часто вы видели подобную сцену или читали нечто подобное в научно-популярной литературе? Уверен, что много, если вы, как и я, являетесь поклонниками этого жанра. Однако такое изложение неверно. Атомные ядра в молекуле – это не крошечные точки, и внутри атома нет пустого пространства.
Картина пустого атома, вероятно, является наиболее повторяемой ошибкой в научно-популярной литературе. Неизвестно, кто создал этот миф, но несомненно, что решающую роль в его популяризации сыграл Карл Саган в своем классическом телесериале “Космос” (1980). Задумавшись над тем, насколько малы ядра по сравнению с атомом, Саган пришел к выводу, что:
“Большая часть массы атома находится в его ядре; электроны, по сравнению с ним, просто облачка подвижного пуха. Атомы – это в основном пустое пространство. Материя главным образом состоит из ничего”.
Я до сих пор помню, как глубоко запали мне в душу эти слова, когда я услышал их в детстве, в начале 1980-х годов. Сегодня, будучи профессиональным химиком-теоретиком, я знаю, что в высказываниях Сагана не были учтены некоторые фундаментальные особенности атомов и молекул.
Тем не менее, его рассуждения по-прежнему влиятельны. Во время подготовки этого очерка я провел опрос о том, согласны ли люди с приведенной выше цитатой Сагана. Из 180 проголосовавших 43% ответили, что в основном согласны, а 27% – полностью согласны. Наберите в поисковике “атомы – пустое пространство”, и вы найдете десятки эссе, записей в блогах и видеороликов на YouTube, в которых делается вывод, что атомы на 99,9% состоят из пустого пространства. Справедливости ради следует отметить, что вы также найдете и немало статей, опровергающих эту идею.
Заблуждения, питающие идею пустого атома, могут быть устранены путем тщательной интерпретации квантовой теории, которая описывает физику молекул, атомов и субатомных частиц. Согласно квантовой теории, строительные блоки материи – электроны, ядра и образуемые ими молекулы – могут быть представлены либо как волны, либо как частицы. Предоставьте им развиваться самостоятельно, без вмешательства человека, и они будут действовать как делокализованные волны в форме сплошных облаков.
С другой стороны, когда мы пытаемся наблюдать эти системы, они кажутся локализованными частицами, чем-то вроде пуль в классической области. Но принятие квантовых предсказаний о том, что ядра и электроны заполняют пространство в виде сплошных облаков, имеет смелую концептуальную цену: оно подразумевает, что эти частицы не вибрируют, не вращаются и не летают по орбитам. Они обитают в неподвижном микрокосмосе, где время играет лишь эпизодическую роль.
Большинство проблем, связанных с описанием субмолекулярного мира, возникает из-за неудачных попыток примирить противоречивые представления о волнах и частицах, в результате чего мы получаем несовместимые химеры, такие как ядра, похожие на частицы, окруженные волнообразными электронами. Этот образ не соответствует предсказаниям квантовой теории. Чтобы компенсировать это, наша концептуальная реконструкция материи на субмолекулярном уровне должна последовательно описывать поведение ядер и электронов, когда их не наблюдают – подобно пресловутому звуку падающего дерева в лесу, когда никого нет рядом.
В качестве примера можно привести представление о фундаментальных компонентах материи: молекула – это устойчивая совокупность ядер и электронов. Если эта совокупность содержит одно ядро, то она называется атомом. Электроны – это элементарные частицы, не имеющие внутренней структуры и обладающие отрицательным электрическим зарядом. С другой стороны, каждое ядро представляет собой объединенную систему, состоящую из нескольких протонов и примерно равного количества нейтронов. Каждый протон и нейтрон в 1 836 раз массивнее электрона. Протон имеет положительный заряд такой же величины, как и отрицательный заряд электрона, а нейтроны, как следует из их названия, не имеют электрического заряда. Обычно (но не обязательно), общее число протонов в молекуле равно числу электронов, что делает молекулы электрически нейтральными.
Внутренности протонов и нейтронов – это, вероятно, самое сложное место во Вселенной. Мне нравится рассматривать каждый из них как горячий суп из трех постоянных элементарных частиц, известных как кварки, кипящий внутри, с бесчисленным количеством виртуальных кварков, появляющихся и исчезающих почти мгновенно. Другие элементарные частицы, называемые глюонами, удерживают суп внутри кастрюли радиусом 0,9 фемтометра. (Фемтометр, сокращенно фм, – это удобная шкала, измеряющая системы в десятки тысяч раз меньше атома и соответствует 10-15 м. Следовательно, мы должны соединить 1 триллион фемтометров, чтобы получить один миллиметр).
Частицы с одинаковым знаком электрического заряда отталкиваются друг от друга. Поэтому для удержания протонов в ядре требуются дополнительные взаимодействия. Эти взаимодействия возникают благодаря кварковым и антикварковым парам, называемым пионами, которые постоянно вылетают из каждого протона и нейтрона, чтобы быть поглощенными другой такой же частицей, находящейся поблизости. Обмениваемая при этом энергия достаточно велика, чтобы компенсировать электрическое отталкивание между протонами и, таким образом, связать протоны и нейтроны, аккумулируя огромную энергию, которая может выделиться в процессах деления ядер.
Однако чрезвычайно малое время жизни пионов уменьшает расстояние, на котором протоны и нейтроны могут находиться друг от друга, ограничивая размер ядра радиусом от 1 до 10 фм. Таким образом, с точки зрения частиц, ядро действительно является крошечным по сравнению с атомом. Ядро азота, состоящее из семи протонов и семи нейтронов, имеет радиус около 3 фм. Для сравнения, атомный радиус азота составляет 179 000 фм. В масштабах атомов и молекул ядра представляют собой не более чем тяжелые точечные положительные заряды без какой-либо видимой внутренней структуры. Так же как и электроны: это просто легкие точечные отрицательные заряды.
Если бы атомы и молекулы оставались набором точечных частиц, то они представляли бы собой, конечно же, в основном пустое пространство. Но при их размерах они должны описываться квантовой теорией. А эта теория предсказывает, что волнообразная картина преобладает до тех пор, пока измерение не нарушит ее. Вместо локализованных пуль в пустом пространстве материя делокализуется в непрерывные квантовые облака.
Материя принципиально квантовая. Молекулы просто не могут быть собраны по правилам классической физики. Классические электрические взаимодействия между ядрами и электронами недостаточны для создания устойчивой молекулы. Вследствие электрического притяжения зарядов противоположных знаков отрицательно заряженные электроны быстро по спирали устремятся к положительно заряженным ядрам и приклеятся к ним. В результате объединенные частицы, не имеющие чистого заряда, разлетятся в разные стороны, не давая возможности образовать молекулу.
А вот два квантовых свойства позволяют избежать этой печальной участи.
Первое свойство вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга, согласно которому квантовая частица не может одновременно находиться в точном положении и иметь нулевую скорость. Это означает, что электрон не может приклеиться к ядру, поскольку обе частицы будут находиться в точно определенном месте и в состоянии покоя по отношению друг к другу, что противоречит главному правилу квантового мира.
Второе квантовое свойство – принцип исключения Паули. Фундаментальные компоненты материи делятся на два типа – бозоны и фермионы. Примером бозонов являются глюоны внутри протона. Их может быть сколько угодно, и они могут одновременно занимать одну и ту же позицию. С другой стороны, фермионы – электроны, кварки, протоны и нейтроны – подчиняются гораздо более жесткому правилу, называемому принципом исключения Паули: два одинаковых фермиона не могут одновременно занимать одно и то же пространство и иметь одинаковый спин (квантовое свойство, аналогичное классическому вращению частицы вокруг своей оси).
Все эти эффекты закодированы в уравнении Шредингера, главном уравнении квантовой теории, и оно предсказывает, что наши точечные ядра и электроны должны вести себя как волны. Они делокализуются в квантовых облаках, значительно превышающих размеры их частиц, чтобы удовлетворить принцип неопределенности Гейзенберга, а электроны формируют различные облака, чтобы удовлетворить принцип исключения Паули. Чем легче частицы, тем больше делокализация. Таким образом, одно электронное облако может распространяться на несколько ядер, образуя химическую связь и стабилизируя молекулу.
Возьмем молекулу аммиака (NH3), показанную на рисунке ниже. Небольшое синее пятно в центре – это облако ядер азота, а три зеленых пятна – облака протонов (ядер водорода). Десять электронов молекулы аммиака делокализуются в толстом желтом облаке, связывая все вместе.
Радиус ядра азота, похожего на частицу, составляет 3 фм. Однако в молекуле аммиака за счет делокализации ядро азота вырастает до приличного радиуса 3 000 фм. Делокализация ядер водорода еще более впечатляет. Они вырастают с радиуса 0,9 фм, когда рассматриваются как частицы, до облаков размером около 23 000 фм. Но больше всего достается электронам. Благодаря своей ничтожной массе они вырастают из частиц гораздо меньших, чем ядро, в облако, определяющее объем молекулы.
Ядра и электроны, однако, не являются атомными гигантами. Если измерить ядро азота (например, бросить на него быстрые электроны и наблюдать, как они отскакивают назад), то ядерное облако немедленно схлопнется в первоначальную точку размером 3 фм. То же самое справедливо и для каждого электрона.
Действительно, квантовая теория предписывает точное соотношение между волновой картиной и картиной частиц. Облака волновой картины математически описываются волновой функцией, по сути, уравнением, которое приписывает интенсивность каждой точке в пространстве и то, как эта интенсивность изменяется со временем. Волновая функция аналогична математическим функциям, описывающим обычные звуковые или водяные волны, но с той особенностью, что она имеет мнимо-числовую составляющую, которая при возведении в квадрат становится отрицательной.
Квадрат модуля волновой функции (математическая операция, которая всегда дает положительные числа) дает вероятность обнаружения частицы в каждой точке пространства, если мы попытаемся ее наблюдать. Чем плотнее облако, тем больше вероятность обнаружить в нем частицу. Таким образом, если мы попытаемся измерить точечное ядро азота, то будем уверены, что оно находится где-то в области облака делокализованного ядра азота – синего пятна на рисунке.
Однако интерпретация квантового облака как вероятности не означает, что оно является лишь мерой недостатка знаний о системе. Если я оставил ключи в одном из двух карманов пиджака, но не знаю, в каком именно, я могу написать функцию вероятности с 50-процентным значением для каждого кармана и нулевым значением для всех остальных точек моего офиса. Эта функция, очевидно, не означает, что мои ключи делокализованы по двум карманам. Она просто констатирует мое незнание, которое можно легко исправить, проверив пиджак.
В квантовом мире волновая функция представляет собой нечто большее, чем простое отсутствие знаний. Делокализованные системы – такие как ядерные и электронные облака – вызывают явления, которые не могут объяснить локализованные частицы. Существование химических связей, образующих молекулы, является прямым примером эффекта электронной делокализации. В случае ядерной делокализации одним из ее основных эффектов является увеличение вероятности перетекания ядра водорода (одного протона) из одной молекулы в другую, находящуюся поблизости. Такой усиленный перенос протонов имеет серьезные биологические последствия, например, повышает кислотность специфических ферментов по сравнению с тем, какой была бы их кислотность, если бы ядра водорода вели себя как частицы.
Хотя в научно-популярной литературе и химии принято изображать электронные облака, делокализацию ядра часто интерпретируют как колебания и вращения. Но это лишь классические, хотя и полезные аналогии. С квантовой точки зрения и для концептуальной последовательности ядра должны изображаться наравне с электронами, как облака.
Еще одно заблуждение состоит в том, что атомы пусты, поскольку их масса находится в ядре. Атомная масса действительно сильно локализована. В молекуле аммиака 82% массы приходится на голубое пятно ядра азота, показанное на рисунке ниже. Если сложить массы трех зеленых протонных облаков, то они составят 99,97% от общей массы. Таким образом, на большое желтое облако электронов приходится всего 0,03% массы.
Связь между такой концентрацией массы и представлением о том, что атомы пусты, проистекает из ошибочного представления о том, что масса – это свойство материи заполнять пространство. Однако эта концепция не выдерживает тщательной проверки, даже в нашем человеческом мире. Когда мы кладем предметы друг на друга, их разделяет не масса, а электрическое отталкивание между крайними электронами в соприкасающихся молекулах. (Электроны не могут схлопнуться под давлением в силу принципов неопределенности Гейзенберга и исключения Паули). Поэтому в конечном итоге пространство заполняется электрическим зарядом электрона.
В атомах и молекулах электроны повсюду! Посмотрите, как желтое облако пронизывает весь объем молекулы. Таким образом, когда мы видим, что атомы и молекулы заполнены электронами, единственным разумным выводом является то, что они заполнены материей, а не наоборот.
Несмотря на все это, каждый, кто изучает химию, скорее всего, столкнется с диаграммами электронов, вращающихся в оболочках, похожих на концентрические и разделенные слои с пустым пространством между ними. Представление о том, что эти диаграммы отражают физическую реальность, является третьим распространенным заблуждением. Электроны не вращаются вокруг атомного ядра в форме таких оболочек.
В атомах и молекулах электроны должны обладать определенными энергиями, причем каждая энергия связана с определенной формой облака. Рассмотрим, например, атом с одним электроном. На минимально возможной энергии, на основном энергетическом уровне, этот электрон делокализуется в сферическое облако, плотное в центре атома и постепенно исчезающее. Одноэлектронные волновые функции, описывающие эти облака, называются орбиталями.
На более высоких энергетических уровнях одиночный электрон делокализуется в более сложные облака с вложенными сферами, множеством сгустков или даже в форме пончика. Таким образом, когда речь идет об атомах и молекулах, электроны не являются маленькими частицами, хаотично летающими вокруг ядер, пока не превратятся в размытое облако, как это часто изображается. И электроны не находятся на орбиталях и не заполняют их. Электроны – это и есть орбитали. Они представляют собой делокализованные облака.
С множественными электронами, которые в популярной науке являются terra incognita, все гораздо сложнее. Это и неудивительно, ведь даже профессиональные химики-теоретики испытывают неловкость при их описании, несмотря на исключительную компетентность в предсказании свойств многоэлектронных систем.
Как плохо сидящая одежда, химический лексикон наполнен неловкими аналогиями и описаниями. Химики могут сказать, что электрон занимает или заполняет орбиталь, как будто орбитали – это уже существующие места, куда помещаются электроны. Химики часто рисуют схемы, на которых орбитали представлены в виде коротких горизонтальных линий, а электроны – в виде маленьких вертикальных стрелочек на этих линиях, как предметы на полках. Все эти словесные и визуальные метафоры не могут передать то, что квантовая теория говорит нам об атомах и молекулах.
Когда речь идет о многоэлектронных системах (к которым относятся практически все молекулы), квантовая теория уже не делает различий между электронами; все они описываются единой волновой функцией, единым облаком. Тем не менее, одноэлектронные орбитали по-прежнему являются допустимым приближением, которое химики постоянно используют для обоснования химических реакций. Многоэлектронная волновая функция похожа на композицию этих отдельных облаков, накладывающихся друг на друга в объеме, определяющем молекулу. Они чувствуют друг друга; они рекомбинируются в новые формы; некоторые из них выпучиваются, другие сжимаются; облака перекашиваются, растягиваются и скручиваются, пока не приспособятся, занимая все свободное пространство. Это может выглядеть как ящик с беспорядочно накиданными в него носками.
Молекула – это статичный объект без внутреннего движения. Квантовые облака всех ядер и электронов остаются абсолютно неподвижными для молекулы с четко определенной энергией. Время не имеет значения. Квантовая теория не предсказывает колебаний ядер или вращающихся электронов; эти динамические характеристики являются классическими аналогами внутренних квантовых свойств. Например, угловой момент, который в классической физике количественно характеризует скорость вращения, проявляется в виде всплесков в волновой функции. Чем больше таких сгустков, тем больше угловой момент, хотя ничего не вращается.
Время, однако, появляется, когда молекула сталкивается с другой молекулой, вызывая химическую реакцию. Затем начинается буря. Квантовая устойчивость взрывается, когда участки электронного облака переливаются из одной молекулы в другую. Облака перемешиваются, меняют форму, сливаются и расходятся. Ядерные облака перестраиваются, чтобы вписаться в новую электронную конфигурацию, иногда даже перемещаясь между молекулами. В течение долей пикосекунды (10-12 секунд или миллиардная доля миллисекунды) буря бушует и перекраивает молекулярный ландшафт, пока в новообразованных соединениях не наступает тишина.
На гравюре Фламмариона (рис. выше) человек, находящийся на краю Земли, осмеливается заглянуть за купол тверди, чтобы увидеть чудесный механизм облаков, управляющих небесами. Вполне возможно, что на самом деле он смотрит на молекулу. И тогда этот наблюдатель, не нарушающий спокойствия, обнаружит, что ядра и электроны – это величественные, стабильные, структурированные, замкнутые облака, управляющие всеми аспектами материи, какой мы ее знаем.
Моя критика картины пустого атома не направлена на то, чтобы посрамить предыдущие попытки людей описать атомы и молекулы. Напротив, я приветствую их усилия в этом непростом деле. Наш обычный язык, интуиция и даже базовые процессы рассуждения не приспособлены для того, чтобы столкнуться с квантовой теорией, этим чуждым миром странностей, окруженным причудливыми ландшафтами, которые мы в большинстве своем не можем понять.
И мы многого не понимаем. Мы еще не научились согласовывать двойственное волнообразное и частицеобразное поведение материи. Мы даже не знаем, имеют ли волновые функции объективную реальность. Наш мозг плавится, сталкиваясь с многочисленными возможными интерпретациями квантовой теории, причем до такой степени, что выдающиеся ученые, похоже, потеряли надежду на то, что мы сможем когда-нибудь прийти к научному консенсусу. Мы закрываем глаза на грязные трюки, которые переносятся с концептуальных построений квантовой теории на реальные предсказания.
Мы могли бы согласиться с неудовлетворительным отношением “Заткнись и посчитай!”, которое сопровождало все более странные предсказания квантовой теории, позволившие добиться выдающихся технологических успехов за последние 100 лет, от лазеров до микропроцессоров. Однако мы не хотим делать только полезные предсказания. Наша конечная цель – рассказывать истории о нашей Вселенной. Поэтому мы рассчитываем, но не молчим. Поколения ученых и популяризаторов науки делают все возможное, чтобы перевести все эти странности в дружелюбные метафоры теоретического тела, все еще полного загадок. Мы строим новые мысленные образы квантового мира шаг за шагом, даже рискуя то тут, то там споткнуться.
Представленное мною описание квантового молекулярного мира находится на достаточно безопасных основаниях. Он основан на области квантовой теории, с которой согласны большинство специалистов. Это городская площадь того, что нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек назвал “Базовой теорией” – физического каркаса, описывающего фундаментальные частицы, их взаимодействие и общую относительность Альберта Эйнштейна. Физики настолько уверены в стабильности этого ядра, что считают, что оно должно сохраниться в любых новых теориях материи, разработанных в будущем.
Вдохнуть эту уверенность и осознать, что мы не состоим из пустого пространства, может быть успокаивающей мыслью.
Мариу Барбатти, профессор химии , Университет Экс-Марсель, Франция.
Читайте также: Карл Саган сильно заблуждался относительно человеческого мозга