Физики создали из атома Вселенную

Международной группе физиков удалось добиться от электрона того, чтобы он стал вести себя как объект, чье движение подчиняется законам классической механики. Таким образом они получили на примере атома калия модель взаимодействия Юпитера с его троянскими астероидами. И заодно доказали справедливость весьма давней гипотезы Нильса Бора…

Фото:

Еще в начале прошлого столетия Эрнст Резерфорд, предлагая свою модель устройства атома, говорил о том, что в принципе строение этой единицы мироздания весьма похоже на таковое абстрактной планетной системы. Мол, в центре атома находится ядро, которое аналогично звезде, а рядом с ним по стандартным орбитам словно планеты вращаются электроны. Из этого утверждения следовал весьма интересный вывод — законы функционирования планетных систем можно изучить на примере атома. Что, как вы понимаете, гораздо проще, чем в тысячу телескопов смотреть.

Однако, к сожалению, вскоре от этой модели пришлось отказаться, поскольку возникло одно неразрешимое противоречие. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Ну, а она, сами понимаете, конечна — то есть в результате электрон просто упадет на ядро. Причем время, за которое произойдет полная потеря энергии, можно сказать, ничтожно — это какие-то сотые доли секунды.

В результате ученые поняли, что движение электрона вокруг ядра не подчинятся законам классической механики. Пришлось создавать совсем новую область научного знания — квантовую механику, которая и дала ответы на многие вопросы. Так что теперь даже старшеклассники знают о том, что, двигаясь вокруг ядра, электрон энергию не теряет, что определенности в траектории его движения нет никакой, и что можно говорить лишь о вероятности нахождения электрона в конкретный момент в заданной точке рядом с ядром.

Вообще, состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени. Проще говоря, ученые полагают, что электроны как будто бы размазываются вокруг ядра. Соответственно, физики никогда не могут точно сказать, где в конкретный момент находится конкретный электрон — они могут лишь рассуждать о вероятности их нахождения в том или ином месте.

Читайте также: Секрет телепортации раскрыт?

Получается, что атом не может быть моделью планетной системы — ведь траектории движения планет достаточно четкие, и о том, где в конкретный момент времени находится то или иное небесное тело, всегда можно сказать определенно. Однако ученых все-таки иногда посещает желание превратить атом в подобную модель. И, что самое интересное, в ряде случаев у них это получается.

В принципе, подобное сделать не так-то уж и сложно. Прежде всего, нужно каким-нибудь способом коллапсировать волновую функцию электрона, в результате чего частица будет вести себя как локализованный волновой пакет (образно говоря, "сожмется в точку"). И, конечно же, следует сделать это так, чтобы вся система, то есть электрон и ядро атома при этом не разрушились (а то наблюдать будет нечего).

И вот недавно ученые  из университета Райса (США), Венского технологического университета и американской национальной лаборатории в Окридже смогли провестиподобный эксперимент с атомом калия. Прежде всего, они перевели его в состояние, которое называется атомом Ридберга — это такой атом (водорода или щелочных металлов, с остальными эти "шутки" не проходят), у которого внешний электрон находится в высоковозбужденном состоянии. Обычно подобный эффект достигается при облучении атомов резонансным лазерным светом или инициацией радиочастотного разряда. В данном случае физики сначала выбрали первый способ.

В результате им удалось коллапсировать его волновую функцию, из-за чего на "фотографии" этот электрон стал похож на тело, напоминающее запятую. Но вот беда — при подобном воздействии достаточно быстро происходило разрушение самого атома. Тогда экспериментаторы приложили к атому вращающееся радиочастотное электрическое поле. И это принесло успех — оно захватило электрон-запятую и заставило его синхронно обращаться вокруг ядра. В то же время другой приложенный к системе электрический импульс позволил сделать мгновенную "фотографию" этого атома Ридберга.

После того, как было сделано несколько десятков тысяч таких снимков (одним обойтись было нельзя, поскольку, увы, в момент фотографии атом разрушался), ученые проанализировали результаты эксперимента. И каково же было их удивление, когда они увидели, что локализованный электрон вел себя по отношению к ядру так же, как … троянские спутники Юпитера!

Напомню, что троянскими спутниками обычно называют небесные тела (например, астероиды), находящихся в окрестностях точек Лагранжа L4 и L5 (точки, в которых они находятся в неподвижности относительно ближайших небесных тел) в орбитальном резонансе 1:1 любых планет. И, кстати, у Юпитера таких "троянцев" немало — свыше четырех тысяч. И вот они, по наблюдениям астрономов, также, находясь на орбите Юпитера, вместе формируют две "запятые" (по форме похожие на локализованный волновой пакет), опережающие данный газовый гигант и отстающие от планеты в ее пути вокруг Солнца.

"Еще Нильс Бор предсказал, что квантово-механическое описание физического мира для систем достаточного размера будет совпадать с классическим описанием, представленным ньютоновской механикой. Он также указал на условия, при которых это соответствие можно было бы наблюдать. В частности, такое совпадение должно проявляться в атомах с очень высоким значением главного квантового числа" — подводит итог экспериментам доктор Барри Даннинг, возглавлявший группу исследователей.

Интересно, что именно это предсказание и подтвердили физики в данном эксперименте. Главное квантовое число электрона в ридберговском атоме в этой серии экспериментов составляло от 300 до 600 (напомню, что главное квантовое число характеризует энергетический уровень электрона). "В таких возбужденных состояниях атомы калия в сотни тысяч раз больше, чем обычно, и походят по размеру на точку в конце предложения. Таким образом, они являются хорошими кандидатами для проверки предсказания Бора", — говорит профессор Даннинг.

Читайте также: Ученые на пикосекунду "запутали" алмаз

Итак, как видите, действительно, при определенных условиях микромир может выступать в качестве модели макромира. Однако это далеко не предел. В дальнейшем авторы этой работы хотят локализовать сразу два электрона. Пускай они побегают вокруг ядра, как две планеты вокруг Солнца…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"