Οι επιστήμονες είδαν για πρώτη φορά το άτομο "ζωντανά" - φωτογραφία. Άτομα Μια φωτογραφία ενός ατόμου σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο
Άτομο υδρογόνου που συλλαμβάνει σύννεφα ηλεκτρονίων. Και παρόλο που οι σύγχρονοι φυσικοί μπορούν ακόμη και να προσδιορίσουν το σχήμα ενός πρωτονίου με τη βοήθεια επιταχυντών, το άτομο υδρογόνου, προφανώς, θα παραμείνει το μικρότερο αντικείμενο, η εικόνα του οποίου είναι λογικό να ονομάζεται φωτογραφία. Το «Lenta.ru» παρουσιάζει μια επισκόπηση των σύγχρονων μεθόδων φωτογράφησης του μικροκόσμου.
Αυστηρά μιλώντας, δεν υπάρχει σχεδόν καμία συνηθισμένη φωτογραφία στις μέρες μας. Οι εικόνες που συνήθως ονομάζουμε φωτογραφίες και μπορούν να βρεθούν, για παράδειγμα, σε οποιοδήποτε φωτογραφικό δοκίμιο του Lenta.ru, είναι στην πραγματικότητα μοντέλα υπολογιστών. Μια φωτοευαίσθητη μήτρα σε μια ειδική συσκευή (παραδοσιακά ονομάζεται ακόμα «κάμερα») καθορίζει τη χωρική κατανομή της έντασης του φωτός σε πολλές διαφορετικές φασματικές περιοχές, τα ηλεκτρονικά ελέγχου αποθηκεύουν αυτά τα δεδομένα σε ψηφιακή μορφή και στη συνέχεια ένα άλλο ηλεκτρονικό κύκλωμα, που βασίζεται σε αυτά τα δεδομένα, δίνει μια εντολή στα τρανζίστορ στην οθόνη υγρών κρυστάλλων. Φιλμ, χαρτί, ειδικές λύσεις για την επεξεργασία τους - όλα αυτά έχουν γίνει εξωτικά. Και αν θυμηθούμε την κυριολεκτική σημασία της λέξης, τότε η φωτογραφία είναι "ελαφριά ζωγραφική". Τι να πω λοιπόν ότι τα κατάφεραν οι επιστήμονες να φωτογραφίσειένα άτομο, είναι δυνατό μόνο με αρκετή συμβατικότητα.
Περισσότερες από τις μισές αστρονομικές εικόνες έχουν ληφθεί εδώ και καιρό από τηλεσκόπια υπερύθρων, υπεριωδών ακτίνων και ακτίνων Χ. Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια ακτινοβολούν όχι με φως, αλλά με δέσμη ηλεκτρονίων, ενώ τα μικροσκόπια ατομικής δύναμης σαρώνουν το ανάγλυφο του δείγματος με μια βελόνα. Υπάρχουν μικροσκόπια ακτίνων Χ και σαρωτές μαγνητικής τομογραφίας. Όλες αυτές οι συσκευές μας δίνουν ακριβείς εικόνες διαφόρων αντικειμένων, και παρά το γεγονός ότι, φυσικά, δεν είναι απαραίτητο να μιλάμε για "ελαφριά ζωγραφική" εδώ, εξακολουθούμε να επιτρέπουμε στον εαυτό μας να αποκαλούμε τέτοιες εικόνες φωτογραφίες.
Πειράματα από φυσικούς για τον προσδιορισμό του σχήματος ενός πρωτονίου ή της κατανομής των κουάρκ μέσα στα σωματίδια θα παραμείνουν στο παρασκήνιο. Η ιστορία μας θα περιοριστεί στην κλίμακα των ατόμων.
Τα οπτικά δεν γερνούν ποτέ
Όπως αποδείχθηκε στο δεύτερο μισό του 20ού αιώνα, τα οπτικά μικροσκόπια έχουν ακόμη περιθώριο ανάπτυξης. Αποφασιστική στιγμή στη βιολογική και ιατρική έρευνα ήταν η εμφάνιση φθοριζόντων βαφών και μεθόδων που επιτρέπουν την επιλεκτική επισήμανση ορισμένων ουσιών. Δεν ήταν «απλώς νέα μπογιά», ήταν μια πραγματική επανάσταση.
Σε αντίθεση με την κοινή παρανόηση, ο φθορισμός δεν είναι καθόλου λάμψη στο σκοτάδι (ο τελευταίος ονομάζεται φωταύγεια). Αυτό είναι το φαινόμενο της απορρόφησης κβαντών μιας συγκεκριμένης ενέργειας (ας πούμε, μπλε φως) με την επακόλουθη εκπομπή άλλων κβαντών χαμηλότερης ενέργειας και, κατά συνέπεια, ενός διαφορετικού φωτός (όταν απορροφάται το μπλε, θα εκπέμπεται πράσινο). Εάν τοποθετήσετε ένα φίλτρο που επιτρέπει μόνο τα κβάντα που εκπέμπονται από τη βαφή να περάσουν και εμποδίζει το φως που προκαλεί φθορισμό, μπορείτε να δείτε ένα σκούρο φόντο με φωτεινές κηλίδες χρωστικών και οι βαφές, με τη σειρά τους, μπορούν να χρωματίσουν το δείγμα εξαιρετικά επιλεκτικά .
Για παράδειγμα, μπορείτε να χρωματίσετε κόκκινο τον κυτταροσκελετό ενός νευρικού κυττάρου, να επισημάνετε τις συνάψεις με πράσινο και τον πυρήνα με μπλε. Μπορείτε να δημιουργήσετε μια φθορίζουσα ετικέτα που θα σας επιτρέψει να ανιχνεύσετε υποδοχείς πρωτεΐνης στη μεμβράνη ή μόρια που συντίθενται από το κύτταρο υπό ορισμένες συνθήκες. Η μέθοδος της ανοσοϊστοχημικής χρώσης έχει φέρει επανάσταση στη βιολογική επιστήμη. Και όταν οι γενετικοί μηχανικοί έμαθαν πώς να φτιάχνουν διαγονιδιακά ζώα με φθορίζουσες πρωτεΐνες, αυτή η μέθοδος γνώρισε μια αναγέννηση: ποντίκια με νευρώνες βαμμένους σε διαφορετικά χρώματα έγιναν πραγματικότητα, για παράδειγμα.
Επιπλέον, οι μηχανικοί βρήκαν (και άσκησαν) μια μέθοδο της λεγόμενης ομοεστιακής μικροσκοπίας. Η ουσία του έγκειται στο γεγονός ότι το μικροσκόπιο εστιάζει σε ένα πολύ λεπτό στρώμα και ένα ειδικό διάφραγμα κόβει το φως που δημιουργείται από αντικείμενα έξω από αυτό το στρώμα. Ένα τέτοιο μικροσκόπιο μπορεί να σαρώσει διαδοχικά ένα δείγμα από πάνω προς τα κάτω και να λάβει μια στοίβα εικόνων, η οποία είναι μια έτοιμη βάση για ένα τρισδιάστατο μοντέλο.
Η χρήση λέιζερ και εξελιγμένων συστημάτων ελέγχου οπτικής δέσμης κατέστησε δυνατή την επίλυση του προβλήματος της εξασθένισης της βαφής και της ξήρανσης ευαίσθητων βιολογικών δειγμάτων κάτω από έντονο φως: η δέσμη λέιζερ σαρώνει το δείγμα μόνο όταν είναι απαραίτητο για απεικόνιση. Και για να μην χάνουμε χρόνο και προσπάθεια για την εξέταση ενός μεγάλου παρασκευάσματος μέσω ενός προσοφθάλμιου φακού με στενό οπτικό πεδίο, οι μηχανικοί πρότειναν ένα σύστημα αυτόματης σάρωσης: μπορείτε να βάλετε ένα ποτήρι με ένα δείγμα στο στάδιο του αντικειμένου ενός σύγχρονου μικροσκοπίου και η συσκευή θα καταγράψει ανεξάρτητα μια μεγάλης κλίμακας πανόραμα ολόκληρου του δείγματος. Ταυτόχρονα, στα σωστά σημεία, θα εστιάσει, και στη συνέχεια θα κολλήσει πολλά καρέ μεταξύ τους.
Ορισμένα μικροσκόπια μπορούν να φιλοξενήσουν ζωντανά ποντίκια, αρουραίους ή τουλάχιστον μικρά ασπόνδυλα. Άλλα δίνουν μια μικρή αύξηση, αλλά συνδυάζονται με ακτινογραφικό μηχάνημα. Για την εξάλειψη των παρεμβολών κραδασμών, πολλά είναι τοποθετημένα σε ειδικά τραπέζια βάρους αρκετών τόνων σε εσωτερικούς χώρους με προσεκτικά ελεγχόμενο μικροκλίμα. Το κόστος τέτοιων συστημάτων υπερβαίνει το κόστος άλλων ηλεκτρονικών μικροσκοπίων και οι διαγωνισμοί για το πιο όμορφο πλαίσιο έχουν γίνει παράδοση εδώ και καιρό. Επιπλέον, η βελτίωση της οπτικής συνεχίζεται: από την αναζήτηση των καλύτερων τύπων γυαλιού και την επιλογή των βέλτιστων συνδυασμών φακών, οι μηχανικοί έχουν προχωρήσει σε τρόπους εστίασης του φωτός.
Παραθέσαμε συγκεκριμένα μια σειρά από τεχνικές λεπτομέρειες προκειμένου να δείξουμε ότι η πρόοδος στη βιολογική έρευνα έχει συνδεθεί εδώ και πολύ καιρό με την πρόοδο σε άλλους τομείς. Εάν δεν υπήρχαν υπολογιστές ικανοί να μετρούν αυτόματα τον αριθμό των λεκιασμένων κυττάρων σε αρκετές εκατοντάδες φωτογραφίες, τα υπερμικροσκόπια θα ήταν ελάχιστα χρήσιμα. Και χωρίς φθορίζουσες χρωστικές, όλα τα εκατομμύρια κύτταρα δεν θα μπορούσαν να διακριθούν μεταξύ τους, επομένως θα ήταν σχεδόν αδύνατο να παρακολουθήσουμε το σχηματισμό νέων ή τον θάνατο των παλαιών.
Στην πραγματικότητα, το πρώτο μικροσκόπιο ήταν ένας σφιγκτήρας με έναν σφαιρικό φακό συνδεδεμένο σε αυτό. Ένα ανάλογο ενός τέτοιου μικροσκοπίου μπορεί να είναι ένα απλό τραπουλόχαρτο με μια τρύπα και μια σταγόνα νερό. Σύμφωνα με ορισμένες αναφορές, τέτοιες συσκευές χρησιμοποιήθηκαν από ανθρακωρύχους χρυσού στο Kolyma ήδη τον περασμένο αιώνα.
Πέρα από το όριο περίθλασης
Τα οπτικά μικροσκόπια έχουν ένα βασικό μειονέκτημα. Το γεγονός είναι ότι είναι αδύνατο να αποκατασταθεί το σχήμα εκείνων των αντικειμένων που αποδείχθηκε ότι ήταν πολύ μικρότερα από το μήκος κύματος από το σχήμα των κυμάτων φωτός: μπορείτε εξίσου καλά να προσπαθήσετε να εξετάσετε τη λεπτή υφή του υλικού με το χέρι σας σε ένα χοντρό γάντι συγκόλλησης.
Οι περιορισμοί που δημιουργούνται από την περίθλαση έχουν εν μέρει ξεπεραστεί και χωρίς να παραβιάζονται οι νόμοι της φυσικής. Δύο περιστάσεις βοηθούν τα οπτικά μικροσκόπια να βουτήξουν κάτω από το φράγμα περίθλασης: το γεγονός ότι κατά τη διάρκεια του φθορισμού κβάντα εκπέμπονται από μεμονωμένα μόρια χρωστικής (τα οποία μπορεί να είναι αρκετά μακριά το ένα από το άλλο) και το γεγονός ότι με την υπέρθεση κυμάτων φωτός είναι δυνατό να ληφθεί ένα φωτεινό κηλίδα με διάμετρο μικρότερη από το μήκος κύματος.
Όταν τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο, τα κύματα φωτός μπορούν να αλληλοεξουδετερωθούν, επομένως, οι παράμετροι φωτισμού του δείγματος είναι τέτοιες που η μικρότερη δυνατή περιοχή πέφτει στη φωτεινή περιοχή. Σε συνδυασμό με μαθηματικούς αλγόριθμους που μπορούν, για παράδειγμα, να αφαιρέσουν τα φαντάσματα, αυτός ο κατευθυντικός φωτισμός προσφέρει δραματική βελτίωση στην ποιότητα της εικόνας. Γίνεται, για παράδειγμα, δυνατό να εξεταστούν ενδοκυτταρικές δομές με οπτικό μικροσκόπιο και ακόμη (συνδυάζοντας την περιγραφόμενη μέθοδο με ομοεστιακή μικροσκοπία) να ληφθούν οι τρισδιάστατες εικόνες τους.
Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο πριν από ηλεκτρονικά όργανα
Για να ανακαλύψουν άτομα και μόρια, οι επιστήμονες δεν έπρεπε να τα κοιτάξουν - η μοριακή θεωρία δεν χρειαζόταν να δει το αντικείμενο. Αλλά η μικροβιολογία έγινε δυνατή μόνο μετά την εφεύρεση του μικροσκοπίου. Ως εκ τούτου, στην αρχή, τα μικροσκόπια συνδέθηκαν ακριβώς με την ιατρική και τη βιολογία: φυσικοί και χημικοί που μελέτησαν πολύ μικρότερα αντικείμενα που διαχειρίζονταν με άλλα μέσα. Όταν ήθελαν επίσης να εξετάσουν τον μικρόκοσμο, οι περιορισμοί περίθλασης έγιναν σοβαρό πρόβλημα, ειδικά επειδή οι μέθοδοι μικροσκοπίας φθορισμού που περιγράφηκαν παραπάνω ήταν ακόμη άγνωστες. Και δεν έχει νόημα να αυξηθεί η ανάλυση από 500 σε 100 νανόμετρα, εάν το αντικείμενο που εξετάζεται είναι ακόμη μικρότερο!
Γνωρίζοντας ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να συμπεριφέρονται τόσο ως κύμα όσο και ως σωματίδιο, φυσικοί από τη Γερμανία δημιούργησαν έναν ηλεκτρονικό φακό το 1926. Η ιδέα στηριζόμενη σε αυτό ήταν πολύ απλή και κατανοητή σε κάθε μαθητή: δεδομένου ότι το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο εκτρέπει τα ηλεκτρόνια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αλλάξει το σχήμα της δέσμης αυτών των σωματιδίων απομακρύνοντάς τα ή, αντίθετα, για να μειώσει τη διάμετρο το δοκάρι. Πέντε χρόνια αργότερα, το 1931, ο Ernst Ruska και ο Max Knoll κατασκεύασαν το πρώτο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο στον κόσμο. Στη συσκευή, το δείγμα φωτίστηκε πρώτα από μια δέσμη ηλεκτρονίων και στη συνέχεια ο ηλεκτρονικός φακός επέκτεινε τη δέσμη που περνούσε πριν πέσει σε μια ειδική φωταυγή οθόνη. Το πρώτο μικροσκόπιο έδωσε μεγέθυνση μόνο 400 φορές, αλλά η αντικατάσταση του φωτός με ηλεκτρόνια άνοιξε το δρόμο για φωτογράφηση με μεγέθυνση εκατοντάδες χιλιάδες φορές: οι σχεδιαστές έπρεπε μόνο να ξεπεράσουν μερικά τεχνικά εμπόδια.
Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο κατέστησε δυνατή την εξέταση της δομής των κυττάρων σε μια ποιότητα που προηγουμένως ήταν ανέφικτη. Αλλά από αυτή την εικόνα είναι αδύνατο να κατανοήσουμε την ηλικία των κυττάρων και την παρουσία ορισμένων πρωτεϊνών σε αυτά, και αυτές οι πληροφορίες είναι πολύ απαραίτητες για τους επιστήμονες.
Τώρα τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια σάς επιτρέπουν να φωτογραφίζετε ιούς κοντινό πλάνο. Υπάρχουν διάφορες τροποποιήσεις συσκευών που επιτρέπουν όχι μόνο να λάμπουν μέσα από λεπτές τομές, αλλά και να τις εξετάζουν σε "ανακλώμενο φως" (σε ανακλώμενα ηλεκτρόνια, φυσικά). Δεν θα μιλήσουμε λεπτομερώς για όλες τις επιλογές για μικροσκόπια, αλλά σημειώνουμε ότι πρόσφατα οι ερευνητές έμαθαν πώς να επαναφέρουν μια εικόνα από ένα μοτίβο περίθλασης.
Αγγίξτε, όχι δείτε
Μια άλλη επανάσταση ήρθε σε βάρος μιας περαιτέρω απομάκρυνσης από την αρχή του «φώτισε και δες». Ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης, καθώς και ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας, δεν λάμπουν πλέον στην επιφάνεια των δειγμάτων. Αντίθετα, μια ιδιαίτερα λεπτή βελόνα κινείται σε όλη την επιφάνεια, η οποία κυριολεκτικά αναπηδά ακόμη και σε εξογκώματα μεγέθους ενός μόνο ατόμου.
Χωρίς να υπεισέλθουμε στις λεπτομέρειες όλων αυτών των μεθόδων, σημειώνουμε το κύριο πράγμα: η βελόνα ενός μικροσκοπίου σήραγγας όχι μόνο μπορεί να μετακινηθεί κατά μήκος της επιφάνειας, αλλά και να χρησιμοποιηθεί για την αναδιάταξη των ατόμων από μέρος σε μέρος. Έτσι οι επιστήμονες δημιουργούν επιγραφές, σχέδια, ακόμη και κινούμενα σχέδια στα οποία ένα ζωγραφισμένο αγόρι παίζει με ένα άτομο. Ένα πραγματικό άτομο ξένου που σύρεται από την άκρη ενός μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας.
Το μικροσκόπιο σήραγγας ονομάζεται επειδή χρησιμοποιεί την επίδραση του ρεύματος σήραγγας που ρέει μέσα από τη βελόνα: τα ηλεκτρόνια περνούν μέσα από το διάκενο μεταξύ της βελόνας και της επιφάνειας λόγω του φαινομένου της σήραγγας που προβλέπεται από την κβαντομηχανική. Αυτή η συσκευή απαιτεί ηλεκτρική σκούπα για να λειτουργήσει.
Το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM) είναι πολύ λιγότερο απαιτητικό για τις περιβαλλοντικές συνθήκες - μπορεί (με ορισμένους περιορισμούς) να λειτουργήσει χωρίς άντληση αέρα. Κατά μία έννοια, το AFM είναι ο διάδοχος της νανοτεχνολογίας του γραμμόφωνου. Μια βελόνα τοποθετημένη σε ένα λεπτό και εύκαμπτο στήριγμα προβόλου ( υποστήριγμακαι υπάρχει ένα «στήριγμα»), κινείται κατά μήκος της επιφάνειας χωρίς να εφαρμόζει τάση σε αυτήν και ακολουθεί το ανάγλυφο του δείγματος με τον ίδιο τρόπο όπως η βελόνα του γραμμοφώνου ακολουθεί κατά μήκος των αυλακώσεων ενός δίσκου γραμμοφώνου. Η κάμψη του προβόλου προκαλεί την απόκλιση του καθρέφτη που είναι στερεωμένος πάνω του, ο καθρέφτης εκτρέπει τη δέσμη λέιζερ και αυτό καθιστά δυνατό τον ακριβή προσδιορισμό του σχήματος του υπό μελέτη δείγματος. Το κύριο πράγμα είναι να έχετε ένα αρκετά ακριβές σύστημα για τη μετακίνηση της βελόνας, καθώς και μια παροχή βελόνων που πρέπει να είναι τέλεια αιχμηρές. Η ακτίνα καμπυλότητας στις άκρες τέτοιων βελόνων δεν μπορεί να υπερβαίνει το ένα νανόμετρο.
Το AFM σάς επιτρέπει να βλέπετε μεμονωμένα άτομα και μόρια, αλλά, όπως ένα μικροσκόπιο σήραγγας, δεν σας επιτρέπει να κοιτάξετε κάτω από την επιφάνεια του δείγματος. Με άλλα λόγια, οι επιστήμονες πρέπει να επιλέξουν μεταξύ του να μπορούν να δουν τα άτομα και να μπορούν να μελετήσουν ολόκληρο το αντικείμενο. Ωστόσο, ακόμη και για τα οπτικά μικροσκόπια, το εσωτερικό των δειγμάτων που μελετήθηκαν δεν είναι πάντα προσβάσιμο, επειδή τα ορυκτά ή τα μέταλλα συνήθως μεταδίδουν ελάχιστα το φως. Επιπλέον, εξακολουθούν να υπάρχουν δυσκολίες με τη φωτογράφηση ατόμων - αυτά τα αντικείμενα εμφανίζονται ως απλές μπάλες, το σχήμα των νεφών ηλεκτρονίων δεν είναι ορατό σε τέτοιες εικόνες.
Η ακτινοβολία Synchrotron, η οποία εμφανίζεται κατά την επιβράδυνση των φορτισμένων σωματιδίων που διασπείρονται από επιταχυντές, καθιστά δυνατή τη μελέτη των απολιθωμένων υπολειμμάτων των προϊστορικών ζώων. Περιστρέφοντας το δείγμα κάτω από ακτίνες Χ, μπορούμε να πάρουμε τρισδιάστατες τομογραφίες - έτσι, για παράδειγμα, βρέθηκε ο εγκέφαλος μέσα στο κρανίο ψαριού που εξαφανίστηκε πριν από 300 εκατομμύρια χρόνια. Μπορείτε να κάνετε χωρίς περιστροφή εάν η καταγραφή της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας είναι σταθεροποιώντας τις ακτίνες Χ που διασκορπίζονται λόγω της περίθλασης.
Και δεν είναι όλες αυτές οι δυνατότητες που ανοίγουν οι ακτίνες Χ. Όταν ακτινοβολούνται με αυτό, πολλά υλικά φθορίζουν και η χημική σύσταση μιας ουσίας μπορεί να προσδιοριστεί από τη φύση του φθορισμού: με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες χρωματίζουν αρχαία αντικείμενα, έργα του Αρχιμήδη που σβήστηκαν τον Μεσαίωνα ή το χρώμα των φτερών. πτηνών που έχουν εξαφανιστεί από καιρό.
Τοποθέτηση ατόμων
Με φόντο όλες τις δυνατότητες που παρέχουν οι μέθοδοι ακτίνων Χ ή οπτικού φθορισμού, ένας νέος τρόπος φωτογράφησης μεμονωμένων ατόμων δεν φαίνεται πλέον τόσο μεγάλη ανακάλυψη στην επιστήμη. Η ουσία της μεθόδου που κατέστησε δυνατή τη λήψη των εικόνων που παρουσιάστηκαν αυτή την εβδομάδα είναι η εξής: τα ηλεκτρόνια αφαιρούνται από ιονισμένα άτομα και στέλνονται σε έναν ειδικό ανιχνευτή. Κάθε πράξη ιονισμού αφαιρεί ένα ηλεκτρόνιο από μια συγκεκριμένη θέση και δίνει ένα σημείο στη «φωτογραφία». Έχοντας συσσωρεύσει αρκετές χιλιάδες τέτοια σημεία, οι επιστήμονες σχημάτισαν μια εικόνα που δείχνει τις πιο πιθανές θέσεις για την εύρεση ενός ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου, και αυτό, εξ ορισμού, είναι ένα σύννεφο ηλεκτρονίων.
Συμπερασματικά, ας πούμε ότι η ικανότητα να βλέπει κανείς μεμονωμένα άτομα με τα ηλεκτρονιακά τους νέφη μοιάζει περισσότερο με ένα κεράσι στο κέικ της σύγχρονης μικροσκοπίας. Ήταν σημαντικό για τους επιστήμονες να μελετήσουν τη δομή των υλικών, να μελετήσουν κύτταρα και κρυστάλλους και η ανάπτυξη τεχνολογιών που προέκυψαν από αυτό κατέστησε δυνατή την επίτευξη του ατόμου υδρογόνου. Οτιδήποτε λιγότερο είναι ήδη η σφαίρα ενδιαφέροντος των ειδικών στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Και οι βιολόγοι, οι επιστήμονες υλικών και οι γεωλόγοι εξακολουθούν να έχουν χώρο να βελτιώσουν τα μικροσκόπια ακόμη και με μια μάλλον μέτρια μεγέθυνση σε σύγκριση με τα άτομα. Οι ειδικοί στη νευροφυσιολογία, για παράδειγμα, ήθελαν από καιρό να έχουν μια συσκευή που να μπορεί να δει μεμονωμένα κύτταρα μέσα σε έναν ζωντανό εγκέφαλο και οι δημιουργοί των ρόβερ θα πουλούσαν τις ψυχές τους για ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο που θα χωρούσε σε ένα διαστημόπλοιο και θα μπορούσε να λειτουργήσει στον Άρη.
Το PostScience καταρρίπτει τους επιστημονικούς μύθους και εξηγεί κοινές παρανοήσεις. Ζητήσαμε από τους ειδικούς μας να σχολιάσουν δημοφιλείς ιδέες σχετικά με τη δομή και τις ιδιότητες των ατόμων.
Το μοντέλο του Rutherford αντιστοιχεί στις σύγχρονες ιδέες για τη δομή του ατόμου
Αυτό είναι αλήθεια, αλλά εν μέρει.Το πλανητικό μοντέλο του ατόμου, στο οποίο τα ελαφρά ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από έναν βαρύ πυρήνα, όπως οι πλανήτες γύρω από τον Ήλιο, προτάθηκε από τον Ernest Rutherford το 1911, αφού ο ίδιος ο πυρήνας ανακαλύφθηκε στο εργαστήριό του. Βομβαρδίζοντας ένα φύλλο μεταλλικού φύλλου με σωματίδια άλφα, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η συντριπτική πλειονότητα των σωματιδίων περνούσε μέσα από το φύλλο, όπως το φως μέσα από το γυαλί. Ωστόσο, ένα μικρό μέρος τους - περίπου ένα στις 8000 - αντανακλάται πίσω στην πηγή. Ο Ράδερφορντ εξήγησε αυτά τα αποτελέσματα από το γεγονός ότι η μάζα δεν κατανέμεται ομοιόμορφα στην ύλη, αλλά συγκεντρώνεται σε «συστάδες» - ατομικούς πυρήνες που φέρουν θετικό φορτίο που απωθεί θετικά φορτισμένα σωματίδια άλφα. Τα ελαφριά, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια αποφεύγουν να «πέσουν» στον πυρήνα περιστρέφοντας γύρω τους, έτσι ώστε η φυγόκεντρος δύναμη να εξισορροπεί την ηλεκτροστατική έλξη.
Αφού επινόησε αυτό το μοντέλο, ο Ράδερφορντ λέγεται ότι αναφώνησε: "Τώρα ξέρω πώς μοιάζει ένα άτομο!" Ωστόσο, σύντομα, ακολουθώντας την έμπνευση, ο Ράδερφορντ συνειδητοποίησε την κατωτερότητα της ιδέας του. Περιστρέφοντας γύρω από τον πυρήνα, το ηλεκτρόνιο δημιουργεί γύρω του εναλλασσόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Αυτά τα πεδία διαδίδονται με την ταχύτητα του φωτός με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Και ένα τέτοιο κύμα κουβαλάει μαζί του ενέργεια! Αποδεικνύεται ότι, περιστρέφοντας γύρω από τον πυρήνα, το ηλεκτρόνιο θα χάνει συνεχώς ενέργεια και θα πέφτει στον πυρήνα μέσα σε δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. (Θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί αν το ίδιο επιχείρημα δεν θα μπορούσε να εφαρμοστεί στους πλανήτες ηλιακό σύστημαΓιατί δεν πέφτουν στον Ήλιο; Απάντηση: τα βαρυτικά κύματα, αν υπάρχουν καθόλου, είναι πολύ πιο αδύναμα από τα ηλεκτρομαγνητικά και η ενέργεια που αποθηκεύεται στους πλανήτες είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι στα ηλεκτρόνια, επομένως το «απόθεμα ισχύος» των πλανητών είναι πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο.)
Για να λύσει την αντίφαση, ο Ράδερφορντ έδωσε οδηγίες στον συνεργάτη του, τον νεαρό θεωρητικό Νιλς Μπορ. Αφού εργάστηκε για δύο χρόνια, ο Bohr βρήκε μια μερική λύση. Υπέθεσε ότι μεταξύ των πιθανών τροχιών ενός ηλεκτρονίου, υπάρχουν εκείνες στις οποίες το ηλεκτρόνιο μπορεί να παραμείνει για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς να ακτινοβολεί. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί από τη μια σταθερή τροχιά στην άλλη, ενώ απορροφά ή εκπέμπει ένα κβάντο ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου με ενέργεια ίση με τη διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο τροχιών. Χρησιμοποιώντας τις αρχικές αρχές της κβαντικής φυσικής, οι οποίες είχαν ήδη ανακαλυφθεί εκείνη την εποχή, ο Bohr ήταν σε θέση να υπολογίσει τις παραμέτρους των στατικών τροχιών και, κατά συνέπεια, τις ενέργειες των κβαντών ακτινοβολίας που αντιστοιχούν σε μεταβάσεις. Αυτές οι ενέργειες είχαν μέχρι τότε μετρηθεί χρησιμοποιώντας μεθόδους φασματοσκοπίας και οι θεωρητικές προβλέψεις του Bohr ταίριαζαν σχεδόν απόλυτα με τα αποτελέσματα αυτών των μετρήσεων!
Παρά αυτό το θριαμβευτικό αποτέλεσμα, η θεωρία του Bohr δεν έφερε σχεδόν καθόλου σαφήνεια στο ζήτημα της φυσικής του ατόμου, επειδή ήταν ημι-εμπειρική: υποθέτοντας την ύπαρξη στατικών τροχιών, δεν εξηγούσε τη φυσική τους φύση με κανέναν τρόπο. Μια βαθιά εξήγηση του ζητήματος απαιτούσε τουλάχιστον άλλες δύο δεκαετίες, κατά τις οποίες η κβαντική μηχανική αναπτύχθηκε ως συστηματική, ολοκληρωμένη φυσική θεωρία.
Στο πλαίσιο αυτής της θεωρίας, το ηλεκτρόνιο υπόκειται στην αρχή της αβεβαιότητας και περιγράφεται όχι από ένα υλικό σημείο, όπως ένας πλανήτης, αλλά από μια κυματική συνάρτηση που «αλείφεται» σε ολόκληρη την τροχιά. Σε κάθε χρονική στιγμή, βρίσκεται σε μια υπέρθεση καταστάσεων που αντιστοιχούν σε όλα τα σημεία της τροχιάς. Δεδομένου ότι η πυκνότητα κατανομής της μάζας στο χώρο, που καθορίζεται από την κυματική συνάρτηση, δεν εξαρτάται από το χρόνο, δεν δημιουργείται εναλλασσόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο γύρω από το ηλεκτρόνιο. δεν υπάρχει απώλεια ενέργειας.
Έτσι, το πλανητικό μοντέλο δίνει μια σωστή οπτική αναπαράσταση του πώς μοιάζει ένα άτομο - είχε δίκιο ο Rutherford στο θαυμαστικό του. Ωστόσο, δεν παρέχει εξήγηση για το πώς λειτουργεί το άτομο: αυτή η συσκευή είναι πολύ πιο περίπλοκη και βαθύτερη, κάτι που μοντελοποίησε ο Rutherford.
Εν κατακλείδι, σημειώνω ότι ο «μύθος» για το πλανητικό μοντέλο βρίσκεται στο επίκεντρο του πνευματικού δράματος που οδήγησε σε μια καμπή στη φυσική πριν από εκατό χρόνια και σε μεγάλο βαθμό διαμόρφωσε αυτή την επιστήμη στη σύγχρονη μορφή της.
Αλεξάντερ Λβόφσκι
Διδάκτωρ Φυσικής, Καθηγητής στη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου του Κάλγκαρι, Επικεφαλής της Επιστημονικής Ομάδας, Μέλος του Επιστημονικού Συμβουλίου του Russian Quantum Center, Εκδότης του επιστημονικού περιοδικού Optics Express
Μεμονωμένα άτομα μπορούν να χειριστούν
Αυτό είναι αλήθεια.Φυσικά και μπορείς, γιατί όχι; Μπορείτε να ελέγξετε διαφορετικές παραμέτρους ενός ατόμου και ένα άτομο έχει πολλές από αυτές: έχει θέση στο χώρο, ταχύτητα και υπάρχουν επίσης εσωτερικοί βαθμοί ελευθερίας. Οι εσωτερικοί βαθμοί ελευθερίας καθορίζουν τις μαγνητικές και ηλεκτρικές ιδιότητες ενός ατόμου, καθώς και την ετοιμότητά του να εκπέμπει φως ή ραδιοκύματα. Ανάλογα με την εσωτερική κατάσταση του ατόμου, μπορεί να είναι περισσότερο ή λιγότερο ενεργό σε συγκρούσεις και χημικές αντιδράσεις, να αλλάξει τις ιδιότητες των γύρω ατόμων και η απόκρισή του στα εξωτερικά πεδία εξαρτάται επίσης από την εσωτερική του κατάσταση. Στην ιατρική, για παράδειγμα, τα λεγόμενα πολωμένα αέρια χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τομογραφημάτων των πνευμόνων - σε τέτοια αέρια, όλα τα άτομα βρίσκονται στην ίδια εσωτερική κατάσταση, γεγονός που καθιστά δυνατό να "δούμε" τον όγκο που γεμίζουν με την απόκρισή τους.
Δεν είναι τόσο δύσκολο να ελέγξεις την ταχύτητα ενός ατόμου ή τη θέση του, είναι πολύ πιο δύσκολο να επιλέξεις ακριβώς ένα άτομο για έλεγχο. Μπορεί όμως να γίνει και αυτό. Μία από τις προσεγγίσεις για μια τέτοια απομόνωση ενός ατόμου υλοποιείται με τη βοήθεια ψύξης λέιζερ. Για έλεγχο, είναι πάντα βολικό να έχουμε μια γνωστή αρχική θέση, είναι αρκετά καλό αν το άτομο δεν κινείται ταυτόχρονα. Η ψύξη με λέιζερ καθιστά δυνατή την επίτευξη και των δύο, τον εντοπισμό των ατόμων στο διάστημα και την ψύξη τους, δηλαδή τη μείωση της ταχύτητάς τους σχεδόν στο μηδέν. Η αρχή της ψύξης με λέιζερ είναι η ίδια με αυτή ενός αεροσκάφους τζετ, μόνο που το τελευταίο εκπέμπει πίδακα αερίου για να επιταχύνει και στην πρώτη περίπτωση, το άτομο, αντίθετα, απορροφά ένα ρεύμα φωτονίων (σωματίδια φωτός) και επιβραδύνει κάτω. Οι σύγχρονες τεχνικές ψύξης με λέιζερ μπορούν να ψύχουν εκατομμύρια άτομα σε ταχύτητες περπατήματος και κάτω. Επιπλέον, διάφορα είδη παθητικών παγίδων μπαίνουν στο παιχνίδι, για παράδειγμα, μια διπολική παγίδα. Εάν χρησιμοποιείται ένα φωτεινό πεδίο για ψύξη με λέιζερ, το οποίο ένα άτομο απορροφά ενεργά, τότε για να το κρατήσει σε μια διπολική παγίδα, η συχνότητα φωτός επιλέγεται μακριά από οποιαδήποτε απορρόφηση. Αποδεικνύεται ότι το εξαιρετικά εστιασμένο φως λέιζερ είναι σε θέση να πολώσει μικρά σωματίδια και σωματίδια σκόνης και να τα σύρει στην περιοχή της υψηλότερης έντασης φωτός. Το άτομο δεν αποτελεί εξαίρεση και σύρεται επίσης στην περιοχή του ισχυρότερου πεδίου. Αποδεικνύεται ότι εάν το φως εστιαστεί όσο το δυνατόν πιο έντονα, τότε μόνο ένα ακριβώς άτομο μπορεί να παραμείνει σε μια τέτοια παγίδα. Το γεγονός είναι ότι αν το δεύτερο πέσει στην παγίδα, τότε πιέζεται τόσο έντονα στο πρώτο που σχηματίζουν ένα μόριο και ταυτόχρονα πέφτουν έξω από την παγίδα. Ωστόσο, μια τέτοια απότομη εστίαση δεν είναι ο μόνος τρόπος για να απομονώσετε ένα μόνο άτομο, μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε τις ιδιότητες της αλληλεπίδρασης ενός ατόμου με έναν συντονιστή για φορτισμένα άτομα, ιόντα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ηλεκτρικά πεδία για να συλλάβετε και να κρατήσετε ακριβώς ένα ιόν, και ούτω καθεξής. Είναι δυνατό να διεγείρουμε πλήρως ένα άτομο σε ένα μάλλον περιορισμένο σύνολο ατόμων σε μια πολύ διεγερμένη, τη λεγόμενη κατάσταση Rydberg. Ένα άτομο, μόλις διεγερθεί σε κατάσταση Rydberg, μπλοκάρει τη δυνατότητα διέγερσης των γειτόνων του στην ίδια κατάσταση και, εάν ο όγκος με τα άτομα είναι αρκετά μικρός, θα είναι το μόνο.
Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, αφού πιαστεί το άτομο, μπορεί να ελεγχθεί. Η εσωτερική κατάσταση μπορεί να αλλάξει με πεδία φωτός και ραδιοσυχνοτήτων, χρησιμοποιώντας τις επιθυμητές συχνότητες και την πόλωση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Είναι δυνατό να μεταφερθεί ένα άτομο σε οποιαδήποτε προκαθορισμένη κατάσταση, είτε πρόκειται για συγκεκριμένη κατάσταση - επίπεδο ή υπέρθεση τους. Το μόνο ερώτημα είναι η διαθεσιμότητα των απαραίτητων συχνοτήτων και η δυνατότητα παραγωγής επαρκώς σύντομων και ισχυρών παλμών ελέγχου. Πρόσφατα, κατέστη δυνατός ο αποτελεσματικότερος έλεγχος των ατόμων διατηρώντας τα κοντά σε νανοδομές, κάτι που επιτρέπει όχι μόνο να "μιλάμε" με το άτομο πιο αποτελεσματικά, αλλά και να χρησιμοποιείτε το ίδιο το άτομο - πιο συγκεκριμένα, τις εσωτερικές του καταστάσεις - για να ελέγξτε τις ροές φωτός και στο μέλλον, ίσως και για υπολογιστικούς σκοπούς.
Ο έλεγχος της θέσης του ατόμου που κρατά η παγίδα είναι μια αρκετά απλή εργασία - αρκεί να μετακινήσετε την ίδια την παγίδα. Σε περίπτωση διπολικής παγίδας, μετακινήστε τη δέσμη φωτός, κάτι που μπορεί να γίνει, για παράδειγμα, με κινούμενους καθρέφτες για παράσταση λέιζερ. Η ταχύτητα μπορεί να δοθεί ξανά σε ένα άτομο με αντιδραστικό τρόπο - για να το κάνει να απορροφά το φως και ένα ιόν μπορεί εύκολα να διασκορπιστεί από ηλεκτρικά πεδία, όπως ακριβώς έγινε στους σωλήνες καθοδικών ακτίνων. Σήμερα λοιπόν, καταρχήν, όλα μπορούν να γίνουν με το άτομο, είναι μόνο θέμα χρόνου και προσπάθειας.
Αλεξέι Ακίμοφ
Το άτομο είναι αδιαίρετο
Εν μέρει αλήθεια, εν μέρει όχι.Η Wikipedia μας δίνει τον εξής ορισμό: «Το άτομο (από τα άλλα ελληνικά ἄτομος - αδιαίρετο, άκοπο) είναι ένα σωματίδιο ύλης μικροσκοπικού μεγέθους και μάζας, το μικρότερο μέρος χημικό στοιχείο, που είναι ο φορέας των ιδιοτήτων του. Ένα άτομο αποτελείται από έναν ατομικό πυρήνα και ηλεκτρόνια.
Τώρα κάθε μορφωμένο άτομο αντιπροσωπεύει το άτομο στο μοντέλο του Ράδερφορντ, το οποίο αναπαριστάνεται συνοπτικά από την τελευταία πρόταση αυτού του γενικά αποδεκτού ορισμού. Φαίνεται ότι η απάντηση στην ερώτηση/μύθο είναι προφανής: το άτομο είναι ένα σύνθετο και σύνθετο αντικείμενο. Ωστόσο, η κατάσταση δεν είναι τόσο ξεκάθαρη. Οι αρχαίοι φιλόσοφοι επένδυσαν στον ορισμό του ατόμου μάλλον την έννοια της ύπαρξης ενός στοιχειώδους και αδιαίρετου σωματιδίου ύλης και δύσκολα συνέδεσαν το πρόβλημα με τη δομή των στοιχείων του περιοδικού πίνακα. Στο άτομο του Rutherford, βρίσκουμε πραγματικά ένα τέτοιο σωματίδιο - αυτό είναι ένα ηλεκτρόνιο.
Το ηλεκτρόνιο, σύμφωνα με τις σύγχρονες έννοιες που εντάσσονται στο λεγόμενο
«> Standard Model, είναι ένα σημείο, η κατάσταση του οποίου περιγράφεται από τη θέση και την ταχύτητα. Είναι σημαντικό ότι η ταυτόχρονη εκχώρηση αυτών των κινηματικών χαρακτηριστικών είναι αδύνατη λόγω της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg, αλλά λαμβάνοντας υπόψη μόνο ένα από αυτά, για παράδειγμα, τη συντεταγμένη, μπορεί κανείς να το προσδιορίσει με αυθαίρετα υψηλή ακρίβεια.
Είναι τότε δυνατό, χρησιμοποιώντας σύγχρονες πειραματικές τεχνικές, να προσπαθήσουμε να εντοπίσουμε ένα ηλεκτρόνιο σε κλίμακα πολύ μικρότερη από το ατομικό μέγεθος (~0,5 * 10-8 cm) και να ελέγξουμε την ακρίβεια του; Αποδεικνύεται ότι όταν προσπαθείτε να εντοπίσετε ένα ηλεκτρόνιο στην κλίμακα του λεγόμενου μήκους κύματος Compton - περίπου 137 φορές μικρότερο από το μέγεθος ενός ατόμου υδρογόνου - το ηλεκτρόνιο θα αλληλεπιδράσει με την αντιύλη του και το σύστημα θα γίνει ασταθές.
Το σημείο και το αδιαίρετο του ηλεκτρονίου και άλλων στοιχειωδών σωματιδίων της ύλης είναι βασικό στοιχείο της αρχής της δράσης μικρής εμβέλειας στη θεωρία πεδίου και υπάρχει σε όλες τις θεμελιώδεις εξισώσεις που περιγράφουν τη φύση. Έτσι, οι αρχαίοι φιλόσοφοι δεν ήταν τόσο μακριά από την αλήθεια, υποθέτοντας ότι υπάρχουν αδιαίρετα σωματίδια ύλης.
Ντμίτρι Κουπριάνοφ
Διδάκτωρ Φυσικομαθηματικών Επιστημών, Καθηγητής Φυσικής, Κρατικό Πολυτεχνείο της Αγίας Πετρούπολης, Προϊστάμενος. Τμήμα Θεωρητικής Φυσικής, Κρατικό Παιδαγωγικό Πανεπιστήμιο Αγίας Πετρούπολης
Η επιστήμη δεν το γνωρίζει ακόμα αυτό.Το πλανητικό μοντέλο του ατόμου, που προτάθηκε από τον Ράδερφορντ, υπέθεσε ότι τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον ατομικό πυρήνα, όπως οι πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο. Σε αυτή την περίπτωση, ήταν φυσικό να υποθέσουμε ότι τα ηλεκτρόνια είναι στερεά σφαιρικά σωματίδια. Το κλασικό μοντέλο του Ράδερφορντ ήταν αυτοαντιφατικό. Με όλα τα στοιχεία, τα κινούμενα επιταχυνόμενα φορτισμένα σωματίδια (ηλεκτρόνια) θα έπρεπε να χάσουν ενέργεια λόγω της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και τελικά να πέσουν στους πυρήνες των ατόμων.
Ο Niels Bohr πρότεινε να απαγορευτεί αυτή η διαδικασία και να εισαχθούν ορισμένες απαιτήσεις για τις ακτίνες των τροχιών κατά μήκος των οποίων κινούνται τα ηλεκτρόνια. Το φαινομενολογικό μοντέλο του Bohr έδωσε τη θέση του στο κβαντικό μοντέλο του ατόμου που αναπτύχθηκε από τον Heisenberg και στο κβαντικό αλλά πιο οπτικό μοντέλο του ατόμου που πρότεινε ο Schrödinger. Στο μοντέλο Schrödinger, τα ηλεκτρόνια δεν είναι πλέον μπάλες που πετούν σε τροχιά, αλλά στάσιμα κύματα που, όπως τα σύννεφα, κρέμονται πάνω από τον ατομικό πυρήνα. Το σχήμα αυτών των «νεφών» περιγράφηκε από την κυματική συνάρτηση που εισήγαγε ο Schrödinger.
Αμέσως προέκυψε το ερώτημα: ποια είναι η φυσική έννοια της κυματικής συνάρτησης; Η απάντηση προτάθηκε από τον Max Born: το τετράγωνο του συντελεστή της κυματικής συνάρτησης είναι η πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου. Και εδώ άρχισαν τα δύσκολα. Προέκυψε το ερώτημα: τι σημαίνει να βρούμε ένα ηλεκτρόνιο σε ένα δεδομένο σημείο του χώρου; Δεν θα έπρεπε η δήλωση του Born να γίνει κατανοητή ως παραδοχή ότι ένα ηλεκτρόνιο είναι μια μικρή μπάλα που πετά κατά μήκος μιας συγκεκριμένης τροχιάς και η οποία μπορεί να πιαστεί σε ένα ορισμένο σημείο αυτής της τροχιάς με κάποια πιθανότητα;
Αυτή ήταν η άποψη που τήρησαν ο Σρέντινγκερ και ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, που ενώθηκαν μαζί του σε αυτό το θέμα. Έγιναν αντιρρήσεις από τους φυσικούς της Σχολής της Κοπεγχάγης - Niels Bohr και Werner Heisenberg, οι οποίοι υποστήριξαν ότι μεταξύ των πράξεων μέτρησης το ηλεκτρόνιο απλά δεν υπάρχει, πράγμα που σημαίνει ότι δεν έχει νόημα να μιλάμε για την τροχιά της κίνησής του. Η συζήτηση μεταξύ του Μπορ και του Αϊνστάιν για την ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής έχει μείνει στην ιστορία. Ο Μπορ φαινόταν να είναι ο νικητής: κατάφερε, αν και όχι πολύ ξεκάθαρα, να αντικρούσει όλα τα παράδοξα που διατύπωσε ο Αϊνστάιν, ακόμη και το περίφημο παράδοξο «Η γάτα του Σρέντινγκερ» που διατύπωσε ο Σρέντινγκερ το 1935. Για αρκετές δεκαετίες, οι περισσότεροι φυσικοί συμφωνούσαν με τον Bohr ότι η ύλη δεν είναι μια αντικειμενική πραγματικότητα που μας δίνεται με αισθήσεις, όπως δίδαξε ο Καρλ Μαρξ, αλλά κάτι που προκύπτει μόνο τη στιγμή της παρατήρησης και δεν υπάρχει χωρίς παρατηρητή. Είναι ενδιαφέρον ότι στη σοβιετική εποχή, τα τμήματα φιλοσοφίας στα πανεπιστήμια δίδασκαν ότι μια τέτοια άποψη είναι ο υποκειμενικός ιδεαλισμός, δηλαδή μια τάση που έρχεται σε αντίθεση με τον αντικειμενικό υλισμό - τη φιλοσοφία του Μαρξ, του Ένγκελς, του Λένιν και του Αϊνστάιν. Ταυτόχρονα, στα τμήματα της φυσικής, οι μαθητές διδάσκονταν ότι οι έννοιες της σχολής της Κοπεγχάγης ήταν οι μόνες σωστές (ίσως επειδή ο πιο διάσημος σοβιετικός θεωρητικός φυσικός, Λεβ Λαντάου, ανήκε σε αυτή τη σχολή).
Αυτή τη στιγμή οι απόψεις των φυσικών διίστανται. Από τη μία πλευρά, η ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής της Κοπεγχάγης εξακολουθεί να είναι δημοφιλής. Οι προσπάθειες πειραματικού ελέγχου της εγκυρότητας αυτής της ερμηνείας (για παράδειγμα, η επιτυχημένη δοκιμή της λεγόμενης ανισότητας του Bell από τον Γάλλο φυσικό Alain Aspe) απολαμβάνουν σχεδόν ομόφωνη έγκριση από την επιστημονική κοινότητα. Από την άλλη, οι θεωρητικοί συζητούν αρκετά ήρεμα εναλλακτικές θεωρίες, όπως η θεωρία των παράλληλων κόσμων. Επιστρέφοντας στο ηλεκτρόνιο, μπορούμε να πούμε ότι οι πιθανότητές του να παραμείνει μπάλα του μπιλιάρδου δεν είναι ακόμη πολύ υψηλές. Ταυτόχρονα, διαφέρουν από το μηδέν. Στη δεκαετία του 1920, ήταν το μοντέλο μπιλιάρδου της σκέδασης Compton που κατέστησε δυνατό να αποδειχθεί ότι το φως αποτελείται από κβάντα - φωτόνια. Σε πολλά προβλήματα που σχετίζονται με σημαντικές και χρήσιμες συσκευές (δίοδοι, τρανζίστορ), είναι βολικό να θεωρούμε ένα ηλεκτρόνιο ως μπάλα του μπιλιάρδου. Η κυματική φύση ενός ηλεκτρονίου είναι σημαντική για την περιγραφή πιο λεπτών επιδράσεων, όπως η αρνητική μαγνητοαντίσταση των μετάλλων.
Το φιλοσοφικό ερώτημα για το αν υπάρχει ένα σφαιρικό ηλεκτρόνιο μεταξύ των πράξεων μέτρησης έχει μικρή σημασία στη συνηθισμένη ζωή. Ωστόσο, αυτό το ερώτημα εξακολουθεί να είναι ένα από τα σοβαρότερα προβλήματα της σύγχρονης φυσικής.
Αλεξέι Καβόκιν
Διδάκτωρ Φυσικής και Μαθηματικών, Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον, Επικεφαλής της Ομάδας Quantum Polaritonics του Russian Quantum Center, Επιστημονικός Διευθυντής του Μεσογειακού Ινστιτούτου Θεμελιωδών Φυσικών (Ιταλία)
Ένα άτομο μπορεί να καταστραφεί εντελώς
Αυτό είναι αλήθεια.Σπάστε όχι χτίστε. Οτιδήποτε μπορεί να καταστραφεί, συμπεριλαμβανομένου του ατόμου, με οποιοδήποτε βαθμό πληρότητας. Ένα άτομο στην πρώτη προσέγγιση είναι ένας θετικά φορτισμένος πυρήνας που περιβάλλεται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Η πρώτη καταστροφική ενέργεια που μπορεί να γίνει σε ένα άτομο είναι η απογύμνωση των ηλεκτρονίων από αυτό. Αυτό μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους: μπορείτε να εστιάσετε την ισχυρή ακτινοβολία λέιζερ σε αυτό, μπορείτε να την ακτινοβολήσετε με γρήγορα ηλεκτρόνια ή άλλα γρήγορα σωματίδια. Ένα άτομο που έχει χάσει μερικά από τα ηλεκτρόνια του ονομάζεται ιόν. Σε αυτή την κατάσταση τα άτομα βρίσκονται στον Ήλιο, όπου οι θερμοκρασίες είναι τόσο υψηλές που είναι πρακτικά αδύνατο για τα άτομα να σώσουν τα ηλεκτρόνια τους σε συγκρούσεις.
Όσο περισσότερα ηλεκτρόνια έχει χάσει ένα άτομο, τόσο πιο δύσκολο είναι να αποσπάσει τα υπόλοιπα. Ένα άτομο έχει περισσότερα ή λιγότερα ηλεκτρόνια ανάλογα με τον ατομικό του αριθμό. Το άτομο υδρογόνου έχει γενικά ένα ηλεκτρόνιο, και συχνά το χάνει ακόμη και υπό κανονικές συνθήκες, και το υδρογόνο που έχει χάσει τα ηλεκτρόνια του είναι αυτό που καθορίζει το pH του νερού. Το άτομο ηλίου έχει δύο ηλεκτρόνια και σε πλήρως ιονισμένη κατάσταση ονομάζεται σωματίδια άλφα - τέτοια σωματίδια περιμένουμε ήδη περισσότερα από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα παρά από το συνηθισμένο νερό. Τα άτομα που περιέχουν πολλά ηλεκτρόνια απαιτούν ακόμη περισσότερη ενέργεια για να αφαιρέσουν όλα τα ηλεκτρόνια, αλλά παρόλα αυτά είναι δυνατό να αφαιρεθούν όλα τα ηλεκτρόνια από οποιοδήποτε άτομο.
Εάν αποκοπούν όλα τα ηλεκτρόνια, τότε ο πυρήνας παραμένει, αλλά μπορεί επίσης να καταστραφεί. Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια (γενικά αδρόνια) και παρόλο που είναι αρκετά ισχυρά συνδεδεμένα, ένα προσπίπτον σωματίδιο επαρκούς ενέργειας μπορεί να τα διαλύσει. Τα βαριά άτομα, στα οποία υπάρχουν πάρα πολλά νετρόνια και πρωτόνια, τείνουν να καταρρέουν από μόνα τους, απελευθερώνοντας αρκετή ενέργεια - οι πυρηνικοί σταθμοί βασίζονται σε αυτήν την αρχή.
Αλλά τελικά, ακόμα κι αν σπάσει ο πυρήνας, όλα τα ηλεκτρόνια αποκόπτονται, τα αρχικά σωματίδια παραμένουν: νετρόνια, πρωτόνια, ηλεκτρόνια. Φυσικά και μπορούν να καταστραφούν. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι που κάνει, το οποίο επιταχύνει τα πρωτόνια σε τεράστιες ενέργειες, καταστρέφοντάς τα εντελώς σε συγκρούσεις. Σε αυτή την περίπτωση, γεννιούνται πολλά νέα σωματίδια, τα οποία μελετώνται από τον επιταχυντή. Το ίδιο μπορεί να γίνει με τα ηλεκτρόνια και με οποιαδήποτε άλλα σωματίδια.
Η ενέργεια του κατεστραμμένου σωματιδίου δεν εξαφανίζεται, κατανέμεται μεταξύ άλλων σωματιδίων και αν υπάρχουν αρκετά από αυτά, τότε καθίσταται αδύνατο να εντοπιστεί γρήγορα το αρχικό σωματίδιο στη θάλασσα νέων μετασχηματισμών. Όλα μπορούν να καταστραφούν, δεν υπάρχουν εξαιρέσεις.
Αλεξέι Ακίμοφ
Υποψήφιος Φυσικομαθηματικών Επιστημών, Επικεφαλής της Ομάδας Quantum Simulators του Russian Quantum Center, Λέκτορας στο Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας, Μέλος του Ινστιτούτου Lebedev, Ερευνητής στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ
1. Θα ξεκινήσουμε όμως από μια εντελώς διαφορετική πλευρά. Πριν ξεκινήσουμε ένα ταξίδι στα βάθη της ύλης, ας στρέψουμε το βλέμμα μας προς τα πάνω.
Για παράδειγμα, είναι γνωστό ότι η μέση απόσταση από τη Σελήνη είναι σχεδόν 400 χιλιάδες χιλιόμετρα, στον Ήλιο - 150 εκατομμύρια, στον Πλούτωνα (που δεν είναι πλέον ορατός χωρίς τηλεσκόπιο) - 6 δισεκατομμύρια, στο πλησιέστερο αστέρι Proxima Centauri - 40 τρισεκατομμύρια, στον πλησιέστερο μεγάλο γαλαξία του νεφελώματος της Ανδρομέδας - 25 κουϊντσεμύρια, και τελικά στα περίχωρα του παρατηρήσιμου Σύμπαντος - 130 εξάξιο.
Εντυπωσιακή, βέβαια, αλλά η διαφορά όλων αυτών των «τετράγωνων», «πεντάγωνων» και «φύλων» δεν φαίνεται τόσο τεράστια, αν και διαφέρουν χίλιες φορές μεταξύ τους. Ο μικρόκοσμος είναι άλλο θέμα. Πώς μπορεί να κρύβονται τόσα ενδιαφέροντα πράγματα μέσα του, γιατί πολύ απλά δεν έχει πού να χωρέσει εκεί. Έτσι μας λέει η κοινή λογική λανθασμένος.
2. Εάν στο ένα άκρο της λογαριθμικής κλίμακας αναβάλουμε τη μικρότερη γνωστή απόσταση στο Σύμπαν, και στο άλλο - τη μεγαλύτερη, τότε στη μέση θα υπάρχει ... ένας κόκκος άμμου. Η διάμετρός του είναι 0,1 mm.
3. Εάν βάλετε 400 δισεκατομμύρια κόκκους άμμου στη σειρά, η σειρά τους θα περιβάλλει ολόκληρη την υδρόγειο κατά μήκος του ισημερινού. Και αν μαζέψεις τα ίδια 400 δισεκατομμύρια σε μια τσάντα, θα ζυγίζει περίπου έναν τόνο.
4. Το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας είναι 50-70 μικρά, δηλαδή υπάρχουν 15-20 ανά χιλιοστό. Για να προσδιορίσετε την απόσταση από τη Σελήνη μαζί τους, θα χρειαστούν 8 τρισεκατομμύρια τρίχες (αν τις προσθέσετε όχι σε μήκος, αλλά σε πλάτος, φυσικά). Δεδομένου ότι υπάρχουν περίπου 100 χιλιάδες από αυτά στο κεφάλι ενός ατόμου, τότε αν συλλέξετε τα μαλλιά από ολόκληρο τον πληθυσμό της Ρωσίας, θα είναι περισσότερα από αρκετά στο φεγγάρι και ακόμη περισσότερα.
5. Το μέγεθος των βακτηρίων είναι από 0,5 έως 5 μικρά. Αν αυξήσουμε το μέσο βακτήριο σε τέτοιο μέγεθος που να χωράει άνετα στην παλάμη μας (100 χιλιάδες φορές), το πάχος της τρίχας θα γίνει ίσο με 5 μέτρα.
6. Παρεμπιπτόντως, ένα ολόκληρο τετρασεκατομμύριο βακτήρια ζει μέσα στο ανθρώπινο σώμα και το συνολικό τους βάρος είναι 2 κιλά. Υπάρχουν, στην πραγματικότητα, ακόμη περισσότερα από τα κύτταρα του ίδιου του σώματος. Έτσι, είναι πολύ πιθανό να πούμε ότι ένα άτομο είναι ακριβώς ένας τέτοιος οργανισμός, που αποτελείται από βακτήρια και ιούς με μικρά εγκλείσματα κάτι άλλου.
7. Τα μεγέθη των ιών διαφέρουν ακόμη περισσότερο από τα βακτήρια - σχεδόν 100 χιλιάδες φορές. Αν συνέβαινε αυτό με τους ανθρώπους, θα είχαν ύψος μεταξύ 1 εκατοστού και 1 χιλιομέτρου και η κοινωνική τους αλληλεπίδραση θα ήταν ένα περίεργο θέαμα.
8. Το μέσο μήκος των πιο κοινών ποικιλιών ιών είναι 100 νανόμετρα ή 10^(-7) μοίρες του μέτρου. Αν πάλι κάνουμε την πράξη προσέγγισης ώστε ο ιός να πάρει το μέγεθος μιας παλάμης, τότε το μήκος του βακτηρίου θα είναι 1 μέτρο και το πάχος της τρίχας 50 μέτρα.
9. Το μήκος κύματος του ορατού φωτός είναι 400-750 νανόμετρα και είναι απλά αδύνατο να δούμε αντικείμενα μικρότερα από αυτήν την τιμή. Προσπαθώντας να φωτίσει ένα τέτοιο αντικείμενο, το κύμα απλώς θα το γυρίσει και δεν θα ανακλαστεί.
10. Μερικές φορές οι άνθρωποι ρωτούν πώς μοιάζει ένα άτομο ή τι χρώμα είναι. Στην πραγματικότητα, το άτομο δεν μοιάζει με τίποτα. Απλά καθόλου. Και όχι επειδή δεν έχουμε αρκετά καλά μικροσκόπια, αλλά επειδή το μέγεθος ενός ατόμου είναι μικρότερο από την απόσταση για την οποία υπάρχει η ίδια η έννοια της «ορατότητας»…
11. Κατά μήκος της περιφέρειας την υδρόγειο 400 τρισεκατομμύρια ιοί μπορούν να συσκευαστούν σφιχτά. Πολλά απο. Το φως διανύει αυτή την απόσταση σε χιλιόμετρα σε 40 χρόνια. Αλλά αν τα βάλετε όλα μαζί, μπορούν εύκολα να χωρέσουν στην άκρη του δακτύλου σας.
12. Το κατά προσέγγιση μέγεθος ενός μορίου νερού είναι 3 επί 10^(-10) μέτρα. Σε ένα ποτήρι νερό, υπάρχουν 10 δισεκατομμύρια τέτοια μόρια - περίπου τόσα χιλιοστά από εμάς μέχρι τον Γαλαξία της Ανδρομέδας. Και σε ένα κυβικό εκατοστό αέρα υπάρχουν 30 εκατομμύρια μόρια (κυρίως άζωτο και οξυγόνο).
13. Η διάμετρος του ατόμου άνθρακα (η βάση όλης της ζωής στη Γη) είναι 3,5 επί 10 ^ (-10) μέτρα, δηλαδή ακόμη και λίγο περισσότερο από τα μόρια του νερού. Το άτομο υδρογόνου είναι 10 φορές μικρότερο - 3 επί 10 ^ (-11) μέτρα. Αυτό φυσικά δεν αρκεί. Μα πόσο λίγο; Το εκπληκτικό γεγονός είναι ότι ο μικρότερος, ελάχιστα διακριτός κόκκος αλατιού αποτελείται από 1 πεντοσεκατομμύριο άτομα.
Ας επιστρέψουμε στην τυπική μας κλίμακα και ας κάνουμε μεγέθυνση στο άτομο υδρογόνου ώστε να χωράει άνετα στο χέρι. Οι ιοί θα έχουν τότε μέγεθος 300 μέτρα, τα βακτήρια 3 χιλιόμετρα και το πάχος της τρίχας θα είναι 150 χιλιόμετρα και ακόμη και σε κατάσταση ψέματος θα ξεπερνά τα όρια της ατμόσφαιρας (και σε μήκος μπορεί να φτάσει στο φεγγάρι).
14. Η λεγόμενη «κλασική» διάμετρος ηλεκτρονίων είναι 5,5 femtometers ή 5,5 επί 10^(-15) μέτρα. Το μέγεθος του πρωτονίου και του νετρονίου είναι ακόμη μικρότερο, περίπου 1,5 femtometer. Υπάρχει περίπου ο ίδιος αριθμός πρωτονίων σε ένα μέτρο με τα μυρμήγκια στον πλανήτη Γη. Χρησιμοποιούμε τη μεγέθυνση που είναι ήδη γνωστή σε εμάς. Το πρωτόνιο βρίσκεται άνετα στην παλάμη μας - και τότε το μέγεθος του μέσου ιού θα είναι ίσο με 7.000 χιλιόμετρα (σχεδόν όπως ολόκληρη η Ρωσία από τη δύση προς την ανατολή, παρεμπιπτόντως) και το πάχος μιας τρίχας θα είναι 2 φορές το μέγεθος του Ήλιου.
15. Είναι δύσκολο να πούμε κάτι συγκεκριμένο για τα μεγέθη. Υποτίθεται ότι είναι κάπου μεταξύ 10^(-19) - 10^(-18) μέτρων. Το μικρότερο - ένα αληθινό κουάρκ - έχει "διάμετρο" (ας γράψουμε αυτή τη λέξη σε εισαγωγικά για να μας θυμίσουμε τα παραπάνω) 10 ^ (-22) μέτρα.
16. Υπάρχει επίσης κάτι όπως τα νετρίνα. Κοιτάξτε την παλάμη σας. Κάθε δευτερόλεπτο, ένα τρισεκατομμύριο νετρίνα που εκπέμπονται από τον Ήλιο πετούν μέσα από αυτό. Και δεν μπορείς να κρύψεις το χέρι σου πίσω από την πλάτη σου. Τα νετρίνα θα περάσουν εύκολα από το σώμα σας, και μέσα από τον τοίχο, και από ολόκληρο τον πλανήτη μας, ακόμη και μέσα από ένα στρώμα μολύβδου πάχους 1 έτους φωτός. Η «διάμετρος» ενός νετρίνου είναι 10 ^ (-24) μέτρα - αυτό το σωματίδιο είναι 100 φορές μικρότερο από ένα πραγματικό κουάρκ, ή ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερο από ένα πρωτόνιο ή 10 δισεκατομμύρια φορές μικρότερο από έναν τυραννόσαυρο rex. Σχεδόν τόσες φορές ο ίδιος ο τυραννόσαυρος είναι μικρότερος από ολόκληρο το παρατηρήσιμο σύμπαν. Εάν αυξήσετε το νετρίνο έτσι ώστε να έχει το μέγεθος ενός πορτοκαλιού, τότε ακόμη και ένα πρωτόνιο θα είναι 10 φορές το μέγεθος της Γης.
17. Και τώρα ελπίζω ειλικρινά ότι ένα από τα ακόλουθα δύο πράγματα θα σας εντυπωσιάσει. Πρώτον, μπορούμε να πάμε ακόμη παραπέρα (και μάλιστα να κάνουμε κάποιες ουσιαστικές υποθέσεις για το τι θα υπάρχει εκεί). Το δεύτερο - αλλά ταυτόχρονα είναι ακόμα αδύνατο να προχωρήσουμε βαθιά στο θέμα άπειρα, και σύντομα θα βρεθούμε σε αδιέξοδο. Απλώς για να πετύχουμε αυτά τα πολύ «αδιέξοδα» μεγέθη, θα πρέπει να μειώσουμε άλλες 11 τάξεις μεγέθους, αν μετρήσουμε από τα νετρίνα. Δηλαδή, αυτά τα μεγέθη είναι 100 δισεκατομμύρια φορές μικρότερα από τα νετρίνα. Κατά την ίδια ποσότητα, ένας κόκκος άμμου είναι, παρεμπιπτόντως, μικρότερος από ολόκληρο τον πλανήτη μας.
18. Έτσι, στις διαστάσεις των 10 ^ (-35) μέτρων, περιμένουμε μια τόσο υπέροχη ιδέα όπως το μήκος Planck - την ελάχιστη δυνατή απόσταση στον πραγματικό κόσμο (όσο πιστεύεται συνήθως στη σύγχρονη επιστήμη).
19. Οι κβαντικές χορδές ζουν επίσης εδώ - τα αντικείμενα είναι πολύ αξιόλογα από οποιαδήποτε άποψη (για παράδειγμα, είναι μονοδιάστατα - δεν έχουν πάχος), αλλά για το θέμα μας είναι σημαντικό το μήκος τους να είναι επίσης εντός 10^(-35) μέτρα. Ας κάνουμε το τυπικό μας «μεγεθυντικό» πείραμα για μια τελευταία φορά. Η κβαντική χορδή γίνεται βολικό μέγεθος, και την κρατάμε στο χέρι μας σαν μολύβι. Σε αυτή την περίπτωση, το νετρίνο θα είναι 7 φορές μεγαλύτερο από τον Ήλιο και το άτομο του υδρογόνου θα είναι 300 φορές μεγαλύτερο από το μέγεθος του Γαλαξία.
20. Τέλος, φτάνουμε στην ίδια τη δομή του σύμπαντος - την κλίμακα στην οποία ο χώρος γίνεται σαν ο χρόνος, ο χρόνος γίνεται χώρος και διάφορα άλλα περίεργα πράγματα συμβαίνουν. Δεν υπάρχει τίποτα περισσότερο (μάλλον)...
Δεν υπάρχει «κρίκος που λείπει» στην ανθρώπινη εξέλιξη
Ο όρος «κρίκος που λείπει» έχει πέσει από την κυκλοφορία στους επιστημονικούς κύκλους, καθώς συνδέεται με την εσφαλμένη υπόθεση ότι η εξελικτική διαδικασία είναι γραμμική και προχωρά διαδοχικά, «κατά μήκος της αλυσίδας». Αντίθετα, οι βιολόγοι χρησιμοποιούν τον όρο «τελευταίος κοινός πρόγονος».
Ενδιαφέροντα γεγονότα για το ηλιακό σύστημα
Έχετε δει ποτέ άτομα; Είμαστε ένας από αυτούς, οπότε στην πραγματικότητα, ναι. Αλλά έχετε δει ποτέ ένα μόνο άτομο; Πρόσφατα, μια καταπληκτική φωτογραφία ενός μόνο ατόμου που καταγράφηκε από ηλεκτρικά πεδία κέρδισε έναν διάσημο διαγωνισμό επιστημονικής φωτογραφίας, τιμώντας το υψηλότερο βραβείο. Η φωτογραφία συμμετείχε στον διαγωνισμό με το αρκετά λογικό όνομα "Single Atom in Ion Trap" (Ένα άτομο σε παγίδα ιόντων) και ο συγγραφέας της είναι ο David Nadlinger από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.
Το Βρετανικό Συμβούλιο Έρευνας Μηχανικών και Φυσικών Επιστημών (EPSRC) ανακοίνωσε τους νικητές του εθνικού του διαγωνισμού επιστημονικής φωτογραφίας, με μια φωτογραφία ενός ατόμου να κερδίζει το μεγάλο βραβείο.
Στη φωτογραφία, το άτομο αντιπροσωπεύεται ως μια μικροσκοπική κηλίδα φωτός ανάμεσα σε δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια που απέχουν περίπου 2 mm μεταξύ τους.
Λεζάντα φωτογραφίας:
"Μια μικρή φωτεινή κουκκίδα είναι ορατή στο κέντρο της φωτογραφίας - ένα μόνο θετικά φορτισμένο άτομο στροντίου. Διατηρείται σχεδόν ακίνητο από ηλεκτρικά πεδία που προέρχονται από τα μεταλλικά ηλεκτρόδια που το περιβάλλουν. Όταν φωτίζεται από ένα μπλε-ιώδες λέιζερ, το άτομο απορροφά γρήγορα και εκπέμπουν εκ νέου σωματίδια φωτός, λόγω των οποίων μια συμβατική κάμερα θα μπορούσε να το φωτογραφίσει με μεγάλη έκθεση».
"Η φωτογραφία τραβήχτηκε μέσα από το παράθυρο ενός θαλάμου κενού εξαιρετικά υψηλού που περιέχει μια παγίδα. Τα ατομικά ιόντα που ψύχονται με λέιζερ είναι μια εξαιρετική βάση για τη μελέτη και την εκμετάλλευση των μοναδικών ιδιοτήτων της κβαντικής φυσικής. Χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία εξαιρετικά ακριβών ρολογιών ή, αυτή η περίπτωση, ως σωματίδια για την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών του μέλλοντος που θα είναι σε θέση να λύσουν προβλήματα που επισκιάζουν ακόμη και τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές του σήμερα».
Εάν παρόλα αυτά δεν λάβατε υπόψη το άτομο, τότε είναι εδώ
«Η ιδέα ότι μπορείτε να δείτε ένα μόνο άτομο με γυμνό μάτι με χτύπησε μέχρι τον πυρήνα, αποτελώντας ένα είδος γέφυρας μεταξύ του μικροσκοπικού κβαντικού κόσμου και της μακροσκοπικής μας πραγματικότητας», είπε ο David Nadlinger.
Ας δοκιμάσουμε. Δεν νομίζω ότι όλα όσα γράφονται παρακάτω είναι απολύτως αληθή και θα μπορούσα κάλλιστα να είχα χάσει κάτι, αλλά η ανάλυση των υπαρχουσών απαντήσεων σε παρόμοιες ερωτήσεις και οι δικές μου σκέψεις παρατάχθηκαν ως εξής:
Πάρτε ένα άτομο υδρογόνου: ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο στην τροχιά του.
Η ακτίνα ενός ατόμου υδρογόνου είναι ακριβώς η ακτίνα της τροχιάς του ηλεκτρονίου του. Στη φύση, είναι ίσο με 53 πικόμετρα, δηλαδή 53 × 10^-12 μέτρα, αλλά θέλουμε να το αυξήσουμε σε 30 × 10^-2 μέτρα - περίπου 5 δισεκατομμύρια φορές.
Η διάμετρος ενός πρωτονίου (δηλαδή του ατομικού μας πυρήνα) είναι 1,75×10^−15 μ. Αν το αυξήσετε στις επιθυμητές διαστάσεις, θα έχει μέγεθος 1×10^−5 μέτρα, δηλαδή το ένα εκατοστό του ένα χιλιοστό. Δεν διακρίνεται με γυμνό μάτι.
Ας αυξήσουμε καλύτερα το πρωτόνιο αμέσως στο μέγεθος ενός μπιζελιού. Η τροχιά του ηλεκτρονίου θα είναι τότε η ακτίνα ενός γηπέδου ποδοσφαίρου.
Το πρωτόνιο θα είναι μια περιοχή θετικού φορτίου. Αποτελείται από τρία κουάρκ, τα οποία είναι περίπου χίλιες φορές μικρότερα από αυτό - σίγουρα δεν θα τα δούμε. Υπάρχει η άποψη ότι εάν αυτό το υποθετικό αντικείμενο πασπαλιστεί με μαγνητικά τσιπ, θα συγκεντρωθεί γύρω από το κέντρο σε ένα σφαιρικό σύννεφο.
Το ηλεκτρόνιο δεν θα είναι ορατό. Καμία μπάλα δεν θα πετάξει γύρω από τον ατομικό πυρήνα, η «τροχία» του ηλεκτρονίου είναι απλώς μια περιοχή, σε διαφορετικά σημεία της οποίας το ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται με διαφορετικές πιθανότητες. Μπορείτε να το φανταστείτε ως μια σφαίρα με διάμετρο γηπέδου γύρω από το μπιζέλι μας. Σε τυχαία σημεία μέσα σε αυτή τη σφαίρα, εμφανίζεται ένα αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και εξαφανίζεται αμέσως. Επιπλέον, το κάνει τόσο γρήγορα που ακόμη και σε οποιαδήποτε στιγμή του χρόνου δεν έχει νόημα να μιλάμε για τη συγκεκριμένη τοποθεσία του ... ναι, είναι ακατανόητο. Με απλά λόγια, δεν «φαίνεται» καθόλου.
Είναι ενδιαφέρον, παρεμπιπτόντως, ότι αυξάνοντας το άτομο σε μακροσκοπικές διαστάσεις, ελπίζουμε να το "δούμε" - δηλαδή να ανιχνεύσουμε το φως που ανακλάται από αυτό. Στην πραγματικότητα, τα άτομα συνηθισμένου μεγέθους δεν αντανακλούν το φως· σε ατομική κλίμακα, μιλάμε για αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και φωτονίων. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να απορροφήσει ένα φωτόνιο και να μετακινηθεί στο επόμενο επίπεδο ενέργειας, μπορεί να εκπέμψει ένα φωτόνιο, και ούτω καθεξής. Με αυτό το σύστημα υποθετικά διευρυμένο στο μέγεθος ενός γηπέδου ποδοσφαίρου, θα χρειάζονταν πάρα πολλές υποθέσεις για να προβλεφθεί η συμπεριφορά αυτής της αδύνατης δομής: θα είχε ένα φωτόνιο την ίδια επίδραση σε ένα γιγάντιο άτομο; Είναι απαραίτητο να το «κοιτάξουμε» βομβαρδίζοντάς το με ειδικά γιγάντια φωτόνια; Θα εκπέμπει γιγάντια φωτόνια; Όλα αυτά τα ερωτήματα είναι, αυστηρά, χωρίς νόημα. Νομίζω, ωστόσο, είναι ασφαλές να πούμε ότι το άτομο δεν θα αντανακλά το φως με τον τρόπο που θα έκανε μια μεταλλική μπάλα.
