В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц ученые увидели невероятно мелкие частицы — электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Они были привязаны к ядрам электрической силой. Непросто представить себе микроскопические атомы — настолько далеки они от наших обычных макроскопических представлений. Диаметр атома — примерно одна миллионная сантиметра. Представьте апельсин, увеличенный до размеров земного шара. Тогда атомы увеличились бы до размеров вишен. Мириады соприкасающихся вишен, упакованные в шар размером с Землю, — такова увеличенная картина атомов, из которых состоит апельсин.
Таким образом, атом во много раз меньше любого известного нам предмета, но гораздо больше ядра, находящегося в его центре. Ядро атома, увеличенного до размеров вишни, футбольного мяча или даже комнаты, было бы невидимо вооруженным глазом. Чтобы лицезреть его, нам нужно было бы увеличить атом до размеров купола собора Святого Петра в Риме. Тогда ядро было бы величиной с крупицу соли, а электроны — с пылинки.
Вскоре после появления этой «планетарной» модели атома было обнаружено, что химические свойства элемента зависят от числа электронов. Сегодня мы знаем, что можно составить периодическую таблицу химических элементов, последовательно добавляя протоны к ядру самого легкого атома — водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, а также соответствующее число электронов к «оболочке». Взаимодействие между атомами порождает различные химические процессы, и вся химия сегодня может быть представлена на основе законов атомной физики.
Их было нелегко открыть. Они были сформулированы лишь в 1920-е физиками разных стран: датчанином Нильсом Бором, французом Луи де Бройлем, австрийцами Эрвином Шредингером и Вольфгангом Паули и англичанином Полем Дираком. Объединив свои усилия наперекор всем государственным границам, они положили начало одной из самых волнующих эпох в современной науке: эпохе знакомства со странной и неожиданной реальностью мира атома. Каждый раз, когда ученые задавали природе вопрос в рамках очередного эксперимента, она отвечала им загадками. И чем больше они стремились прояснить ситуацию, тем более загадочными становились головоломки природы. Далеко не сразу физики поняли, что эти загадки и противоречия объясняются стремлением описывать явления атомной реальности в понятиях классической физики. Но, убедившись в этом, они стали иначе задавать природе вопросы, чтобы избежать противоречивых ответов. По словам Гейзенберга, «они как-то соприкоснулись с духом квантовой теории» и смогли четко и последовательно сформулировать ее в математическом виде.
Но даже после этого понятия, которыми оперировала квантовая теория, оставались неясными. Они потрясали воображение физиков. Раньше в своих экспериментах Резерфорд обнаружил, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из пустого пространства, в котором движутся очень маленькие частицы. Теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы тоже не имеют ничего общего с твердыми объектами классической физики. Субатомные частицы материи обладают двойной природой. В зависимости от того, как мы наблюдаем их, они могут представать перед нами и как волны, и как частицы (рис. 5). Такую же природу демонстрирует и свет, способный принимать вид как электромагнитных волн, так и частиц.
Рис. 5. Частица и волна
Это свойство материи и света очень необычно. Кажется невероятным, что что-то может одновременно быть частицей — единицей чрезвычайно малого объема, замкнутой в ограниченном пространстве, — и волной, «размазанной» по большому участку.
Это противоречие породило большинство напоминающих коаны парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Всё началось с открытия Макса Планка, показавшего, что энергия теплового излучения испускается не непрерывно, а «пакетами». Эйнштейн назвал их «квантами» и увидел в них основополагающий элемент природы. Он утверждал, что электромагнитное излучение может существовать не только в форме волн, но и в форме квантов. С тех пор кванты света рассматриваются как реальные частицы и называются фотонами. Они лишены массы и всегда движутся со скоростью света.
Мнимое противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось неожиданно, поставив под вопрос основу механистического мировоззрения — понятие реальности материи. Внутри атома материя не существует в определенных местах, скорее, она «склонна существовать». Атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом, скорее, «могут происходить». Язык формальной математики в квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн. Вот почему частицы могут одновременно быть волнами. Это не «настоящие» трехмерные волны, как, например, звуковые или волны на поверхности воды. Это «вероятностные волны» — абстрактные математические величины со всеми свойствами волн, связанные с вероятностью существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем уверенно говорить о том, что происходит с атомом; мы можем только сказать, насколько вероятно, что это произойдет. Квантовая теория разрушила классические представления о твердых телах и строгом детерминизме природных законов. На субатомном уровне место твердых материальных объектов классической физики заняли волнообразные вероятностные модели, которые к тому же отражают вероятность существования не вещей, а скорее, их взаимосвязей. Тщательный анализ наблюдений в атомной физике показал, что субатомные частицы не имеют смысла в виде самостоятельных объектов, а могут пониматься лишь как промежуточное звено между подготовкой эксперимента и последующими измерениями. Таким образом, квантовая теория свидетельствует о фундаментальной цельности мироздания, показывая, что мы не можем разложить мир на «строительные блоки». Проникая в глубины материи, мы видим не самостоятельные компоненты, а сложную систему взаимоотношений между частями единого целого. Важную роль здесь играет наблюдатель. Это конечное звено в цепи, а свойства любого объекта мира атомов могут быть поняты только в рамках его взаимодействия с наблюдателем. Классический идеал объективного описания природы уже не действует. Имея дело с атомной реальностью, нельзя придерживаться картезианского разделения Вселенной и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя говорить о природе, не говоря одновременно о нас.