Книга: Чердак. Только физика, только хардкор!

6.5.1. Как получить атомы размером с грейпфрут?

6.5.1. Как получить атомы размером с грейпфрут?

Мы давно уже привыкли, что атомы, из которых состоят все окружающие нас тела, очень маленькие. Диаметром они меньше одной миллионной миллиметра, и по отдельности видны только в электронные и зондовые микроскопы. Но ни одна теория не ограничивает размеры атомов. И действительно, можно создать атомы размером с вишню, яблоко или даже грейпфрут! Так как это сделать?

Давно известно, что электрон в атоме может находиться на определенных энергетических уровнях, которые обозначаются квантовым числом n. От этого числа зависит энергия электрона и, грубо говоря, радиус его орбиты, если считать, что он движется по окружности вокруг ядра.

В природе встречаются атомы с небольшими значениями n. И их размеры действительно невелики. Однако можно перекинуть электрон на уровень с n=1000, облучив его квантом света с тонко подобранной энергией и частотой. Здесь самое главное не переборщить, потому что при больших n уровни располагаются очень близко к самой крайней границе энергии, по достижении которой электрон вообще улетает из атома.

Так вот. Радиус орбиты зависит от квадрата n, поэтому его размеры увеличатся в 1 000 000 раз по сравнению с основным состоянием. Получается, что если атом был размером в одну десятимиллионную миллиметра, то в состоянии с n=1000 он будет размером в одну десятую миллиметра. Если его перевести в состояние с n=10000, то его диаметр будет 1 см, как у небольшой вишни. Если перевести его в состояние с n=100000, то это будет уже 100 см, в состоянии с n=32000 будет 10 см.

На данный момент созданы атомы с n=1100, но это только техническое ограничение.

Такие атомы называют ридберговскими атомами. Они обладают нереальным размером, и в них можно зафиксировать, как электрон вращается вокруг ядра. Однако такие атомы очень нестабильны. Так как электрон находится очень далеко от ядра, то любое столкновение с другим атомом, любой попавший на него фотон будут приводить к выбиванию электрона из атомов, и такое состояние будет потеряно. Так что, несмотря на то, что создать такие атомы можно, потрогать их не получится. Да и увидеть тоже, ведь для этого атом нужно осветить, а при освещении любые фотоны будут не отражаться, а поглощаться.

Интересно то, что ученые нашли такие атомы в далеких космических туманностях. Там они могут летать длительное время без столкновений и существовать в таком состоянии достаточно долго.

Забавно, но в таком случае возможна ситуация – атом внутри атома.

Итак, теперь мы знаем, что такие микрообъекты, как атомы, при определенных условиях могут быть достаточно крупными. Так что их и микро-то не назовешь. А вот насколько сильно мы можем их уменьшить? Каков их минимальный размер?

Что касается полноценного атома, то для любого из них можно рассчитать минимальный радиус. Он будет достигаться, когда все электроны заняли самые низкие энергетические состояния. Например, для атома водорода в состоянии n=1 радиус 5,3 ? 10^-11 метров. Согласно квантовым представлениям, чтобы перейти в состояние с еще меньшей энергией, ему необходимо излучить квант, порцию определенной энергии, однако она уже больше, чем у него имеется в наличии. Поэтому он остается на этой орбите надолго.

Но если рассматривать только отдельное ядро, то с уменьшением его размеров будут возникать проблемы. Это можно сделать по-разному. Например, мы будем сжимать протон с помощью других протонов, которые окружат наш бедненький экспериментальный и будут давить со всех сторон. Тогда, начиная с какого-то момента, протоны превратятся в нейтроны, хотя это не столь важно, и, приблизившись на слишком маленькое расстояние друг к другу, будут испытывать настолько колоссальные силы отталкивания, что дальнейшее сжатие будет практически невозможным. Будет очень сложно найти такую силу, которая сможет сжать такую материю. Но во вселенной такую силу можно найти – это сила гравитации при сжатии звезды в черную дыру. Когда звезда достаточно велика и сила гравитации может перевесить силу отталкивания нейтронов, происходит дальнейшее сжатие и гравитация становится еще больше. Возникает неконтролируемое сжатие вплоть до нулевых размеров. Точка, в которую все сожмется, называется сингулярностью, и радиус у нее – 0. Вокруг нее и возникает черная дыра.

Так что не увлекайтесь со сжатием атомов, а то получите не самый дружелюбный объект во вселенной.

Получается, при сжатии атомов мы обнаруживаем, что их минимальный размер – 0 м? Но это очень странно. И все физики тоже так считают. Самым вразумительным объяснением этого факта является то, что гравитация на малых размерах ведет себя как-то по-другому, не как в наших законах и формулах. На микроскопических расстояниях хорошо работает квантовая теория поля, но объединить ее с ныне существующей теорией гравитации ну очень сложно. Как раз это пытается сделать теория струн и другие альтернативные теории.

Кстати, квантовая физика определяет вполне разумный минимальный размер чего-либо – это планковская длина. Она равняется 1,6·10³⁵ метра. Можно считать, что это квант пространства, что не существует объектов размером меньше этого и физические законы не применимы на более мелких масштабах. Но не забывайте, что эта величина – продукт современных физических теорий, которые далеко не совершенны. Так что возможно, минимальный размер совсем другой, если вообще существует.