Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид

Твердое тело. Совокупность частиц одного и того же или разных видов (в последнем случае называется смесью), в которой частицы соприкасаются друг с другом и имеют четко определенное положение, поэтому не могут свободно двигаться. Лед – это твердое состояние H2O.

Температура. Мера средней кинетической энергии совокупности частиц. Нулевая точка абсолютной температурной шкалы Кельвина, когда любое движение прекращается, находится на отметке –273,15 °C.

Фермион. Класс элементарных частиц со спином ±½. Электроны, нейтрино, кварки и соответствующие им античастицы относятся к фермионам, как и ядра с нечетными номерами.

Фотон. Небольшая порция электромагнитного излучения с массой, равной нулю, и энергией, обратно пропорциональной ее длине волны.

Фракционирование. Процесс, при котором химическая реакция либо отвергает, либо отдает предпочтение определенному изотопу элемента, из-за чего изотопная сигнатура продукта реакции отличается от таковой в источнике, из которого взяты атомы. Классический пример – фотосинтез, когда растения, использующие разные пути фотосинтеза, по-разному реагируют на более тяжелый изотоп Углерода-13 по сравнению с Углеродом-12. Поэтому говорят, что разные виды растений имеют разные коэффициенты фракционирования.

Химическая реакция. Превращение, затрагивающее самые внешние электроны атомов, в ходе которого они объединяются или разрывают свои связи с другими атомами, либо поглощая, либо высвобождая энергию. Типичные энергии при этом не превышают 1 эВ на атом более чем в десять раз.

Электромагнетизм. Одно из четырех природных взаимодействий, которое заставляет объекты, обладающие зарядом, притягивать (если заряды противоположны) или отталкивать (если заряды одинаковы) друг друга. Фотон – переносчик электромагнетизма.

Электромагнитный спектр. Диапазон длин волн электрической и магнитной энергии, которые способны усиливать себя самих. Они перемещаются в вакууме со скоростью света (3 × 108 м/с). Видимый свет представляет собой одну октаву спектра, причем в природе этот спектр охватывает более 60 октав; в их число входят радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Электрон. Элементарная частица, принадлежащая к классу фермионов и несущая электрический заряд –1.

Электронвольт (эВ). Единица энергии, подходящая для взаимодействия фундаментальных частиц на атомном уровне, где 1 эВ = 1,6 × 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 × 60 минут (час) × 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 адресу https://predatoryjournals. com/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, https://plato. 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, Traité élémentaire de chimie, présenté dans un ordre nouveau et d’après les découvertes 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 für 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 α and β 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.