Изначально слово «атом» получило такое название потому, что считалось: эти строительные блоки материи являются неделимыми и неразрезаемыми. Несмотря на то что с момента, когда мы узнали, что атомы на самом деле состоят из компонентов, прошло больше времени, чем за весь период, когда атомы считались фундаментальными, их название — всё ещё означающее «неспособный быть разрезанным» — так и не изменилось.
Здесь, на планете Земля, всё, что мы видим, ощущаем или с чем взаимодействуем, состоит из атомов. Существует примерно 90 естественно встречающихся видов атомов, которые мы можем найти на Земле, и ещё около 30, которые мы способны синтезировать в лабораторных условиях. Благодаря мощи современной науки мы узнали, что сами атомы не являются фундаментальными, а могут быть разделены на более мелкие части: электроны и атомное ядро. Ядро, в свою очередь, может быть разложено на протоны и нейтроны, которые сами состоят из кварков и глюонов. Только когда мы добираемся до этого глубинного уровня — уровня электронов, кварков и глюонов, — мы сталкиваемся с частицами, которые действительно являются фундаментальными.
Однако само слово «атом», происходящее от греческого слова ἀτομός, буквально означает «неразрезаемый» или «неделимый». Почему же тогда мы по-прежнему называем эти важнейшие компоненты реальности «атомами», а не каким-то другим именем, лучше отражающим их составную природу? Это наглядный и увлекательный пример того, как развивается наука: однажды сделанное открытие сохраняет данное ему изначально название, но значение этого названия со временем меняется, отражая новую информацию, которую мы получаем. Так происходило на протяжении всей истории, и если мы будем продолжать заниматься наукой правильно, это будет происходить снова и снова по мере углубления нашего понимания реальности.
Слово ἀτομός было введено в V веке до н. э. двумя древнегреческими философами — Демокритом и Левкиппом, причём Демокрит был учеником Левкиппа. В те времена философы и учёные были одним и тем же, поскольку ещё не существовало различия между теми, кто рассуждал о физической реальности, и теми, кто исследовал её на основе доказательств. До Левкиппа более ранние философы-естествоиспытатели уже выдвигали идеи элементов как компонентов реальности и часто выделяли один из них как первооснову — архэ (ἀρχή) — всего остального. Другие, начиная ещё с поэта Гесиода, противопоставляли упорядоченность Вселенной, или космос (κόσμος), великой пустоте небытия.
Идея Левкиппа заключалась в том, что пустота реальна, но всё, что мы можем видеть, ощущать или с чем можем взаимодействовать, состоит не из таких элементов, как Земля, Огонь, Воздух и Вода, а из атомов — неделимых, крошечных сущностей, из которых состоят все вещи. Между атомами находится пустота, и всё существующее есть атомы. Демокрит развил идеи Левкиппа, утверждая, что:
— существует бесконечное количество атомов;
— делимость материи в какой-то момент прекращается;
— достигнув этого предела, мы обнаруживаем множество различных типов атомов — тел разной формы и размера;
— эти атомы находятся в постоянном движении и могут сталкиваться друг с другом;
— в результате этих столкновений они образуют всё более крупные и сложные структуры, создавая мир, который мы воспринимаем.
Хотя ни одно из оригинальных сочинений Демокрита не сохранилось, его влияние было настолько значительным, что другие авторы писали о его идеях на протяжении веков и тысячелетий.
Идея атомов была возрождена в начале XIX века, когда английский химик Джон Дальтон вновь ввёл атомизм в химию. (Хотя другие, например Уильям Хиггинс, утверждали, что Дальтон заимствовал идеи у своих предшественников.) Изучая различные известные химические соединения, Дальтон понял, что атомистский подход позволяет вычислять молекулярные массы и формулы, исходя из более простых строительных блоков — атомов, каждый из которых обладает собственной уникальной атомной массой для разных видов атомов в молекуле. Впервые Дальтон представил свою «атомную теорию» в 1803 году, объяснив состав азотной кислоты.
Затем, в 1808 году, Дальтон опубликовал расширенное изложение своей атомной теории, выдвинув в общей сложности шесть принципов:
- Элементы состоят из атомов.
- Атомы одного элемента одинаковы по размеру, массе и всем другим свойствам.
- Атомы не могут быть разделены, созданы или уничтожены.
- Атомы разных элементов соединяются в целочисленных соотношениях, образуя соединения.
- В химических реакциях атомы соединяются, разделяются или перестраиваются.
- Принцип наибольшей простоты: если атомы двух разных элементов образуют соединение, то молекулы этого соединения должны состоять из одного атома каждого элемента.
Хотя принципы 1, 4 и 5 остаются верными и сегодня, принципы 2 (один и тот же элемент может иметь разные атомные массы), 3 (материя и антиматерия могут создаваться и уничтожаться в равных количествах) и 6 (вода — это H₂O, а не HO, а аммиак — NH₃, а не NH) впоследствии были признаны неверными.
Атомная теория имела оглушительный успех. Вскоре было обнаружено, что атомы разных видов можно располагать так, что элементы с похожими химическими свойствами группируются вместе: натрий с калием, кальций с магнием, хлор с фтором, а также гелий, неон и аргон. Периодическая таблица элементов Менделеева, разработанная в 1869 году, признала важность классификации элементов по их химическим свойствам, а не только по массе. Более того, Менделеев успешно оставил пустые места для ещё не открытых элементов, которые впоследствии были обнаружены именно с предсказанными им свойствами — например, галлий и германий.
Те аспекты теории Дальтона, которые не соответствовали реальности, были отброшены, точно так же как и несоответствующие реальности элементы идей Демокрита не были сохранены. Однако почти на протяжении всего XIX века представление о том, что атомы являются фундаментальными и неделимыми, оставалось частью общепринятого знания. Всё начало меняться в конце XIX века, когда ряд открытий серьёзно поколебал традиционную картину атомной физики. Исследование катодных лучей, открытие рентгеновских лучей и существование радиоактивности — благодаря таким пионерам, как Анри Беккерель, Мария и Пьер Кюри, а также Дж. Дж. Томсон, — выявили существование субатомных частиц: частиц внутри атома и меньше его.
Вскоре было установлено, что в различных радиоактивных процессах испускаются как минимум три типа частиц:
— альфа-частицы, которые имеют положительный заряд;
— бета-частицы, которые имеют отрицательный заряд;
— гамма-частицы, которые электрически нейтральны.
Эксперименты Томсона с катодными лучами, в частности, привели к открытию электрона — частицы с чрезвычайно малой массой и размерами по сравнению с атомами, но с большим и значимым отрицательным электрическим зарядом. Вскоре после этого было установлено, что бета-частицы и есть электроны, что объединило эти два, ранее независимых аспекта реальности.
Это означало, что сами атомы на самом деле не являются неделимыми, а могут быть разделены как минимум на два компонента: электроны, которые каким-то образом существуют внутри атома, и ещё один положительно заряженный компонент. Томсон первым предложил модель атома такого типа — так называемую «пудинговую модель», в которой электроны представлялись как отрицательно заряженные «изюмины», вкраплённые в положительно заряженный «пудинг» остальной части атома.
Однако в начале 1900-х годов Эрнест Резерфорд поставил блестящий эксперимент, предназначенный для проверки именно этой модели, — знаменитый опыт с золотой фольгой.
Резерфорд взял тонкий лист золота — печально известного своей ковкостью металла — и расковал его настолько тонко, насколько это было возможно, до состояния, когда он едва держался целым. Затем он разместил радиоактивный источник с одной стороны фольги, окружив остальную часть установки поглощающим кольцом из твёрдого материала. Он ожидал, что радиоактивные частицы просто пройдут сквозь фольгу и окажутся по другую сторону, учитывая их высокую энергию и крайнюю тонкость и хрупкость золотого листа.
И действительно, именно это и происходило с большинством частиц, направленных на золотую фольгу: они проходили насквозь. Однако с некоторой долей частиц происходило нечто иное. Вместо того чтобы пройти сквозь фольгу, они, по-видимому, рикошетили от чего-то твёрдого, массивного и неподвижного внутри неё, в одних случаях отклоняясь, а в других — отражаясь обратно внутрь экспериментальной установки. Резерфорд не мог скрыть своего изумления и восторга, отмечая по поводу эксперимента 1909 года:
«Это было самое невероятное событие, которое когда-либо происходило со мной в жизни. Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а он отскочил и ударил вас».
Иными словами, атомы оказались не только «неразрезаемыми», но и состояли из двух принципиально разных частей: лёгких, отрицательно заряженных электронов и тяжёлого, положительно заряженного атомного ядра. Десять лет спустя, в 1919 году, продолжая свои исследования, Резерфорд смог наблюдать выброс ядер водорода из атомов азота, подвергнутых бомбардировке альфа-частицами (которые теперь известны как ядра гелия), тем самым продемонстрировав существование протона. В следующем, 1920 году, Резерфорд дал протонам их название, окончательно определив два основных компонента атомов.
Но тогда как объяснить существование изотопов — атомов одного и того же элемента, обладающих одинаковыми химическими свойствами, но различной массой? Одна из идей заключалась в том, что внутри атомного ядра существуют не только протоны, но и электроны, образующие с ними связанные состояния. Однако это приводило к парадоксу: почему только некоторые электроны образуют такие связанные состояния с протонами, а другие остаются на орбитах вокруг атома? Существуют ли два принципиально разных типа электронов?
В конечном итоге этот вопрос был решён экспериментально Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Он бомбардировал ядра бериллия альфа-частицами и обнаружил испускание массивной, электрически нейтральной частицы. Эта новая частица — нейтрон — наконец завершила базовую картину атома.
Таким образом, атомные ядра состоят из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов, которые, в свою очередь, окружены очень лёгкими, отрицательно заряженными электронами, завершающими структуру атома. Эти атомы затем могут соединяться друг с другом — как предполагал Демокрит более 2000 лет назад — в молекулы и более крупные структуры, составляющие наш макроскопический мир. Их количество не бесконечно, но чрезвычайно велико и поддаётся подсчёту; именно эти субатомные компоненты, объединяясь, формируют всю реальность.
С тех пор мы открыли группу нестабильных частиц, называемых мезонами — частицами, которые первоначально (согласно блестящей, но неверной модели Сакаты) считались составными образованиями из барионов, таких как протоны, нейтроны, антипротоны и антинейтроны. Предполагалось, что за счёт энергии связи такие комбинации могли обладать существенно меньшей массой. Мезоны, например каоны, можно было объяснить, если добавить в модель нестабильный лямбда-барион (и его античастицу), при этом протоны, нейтроны и лямбда-барион образовывали триаду, иногда называемую «сакатонами».
Однако по мере развития экспериментов по глубоконеупругому рассеянию модель Сакаты утратила популярность, поскольку более успешные теории кварков и партонов (которые впоследствии оказались одним и тем же) гораздо лучше описывали наблюдаемые результаты. Именно эта цепочка событий в конечном итоге привела нас к современной картине реальности и к Стандартной модели элементарных частиц.
И всё же, несмотря на то что мы более 90 лет считали атомы по-настоящему неделимыми сущностями — от момента их введения Дальтоном до открытия радиоактивности и природы катодных лучей, — мы по-прежнему называем их «атомами». Некоторые люди разочарованы таким положением дел, утверждая, что первоначальное значение слова «атом», уходящее корнями к греческому слову ἀτομός, должно быть сохранено исключительно для действительно фундаментальных или элементарных сущностей: тех, которые нельзя разрезать или разделить.
Что ж, людям, придерживающимся такой точки зрения, не повезло — именно так наука не работает. Вещи получают названия в момент их открытия, и обычно эти названия отражают наиболее точное (или просто удачное и запоминающееся) описание, которым мы располагаем в данный момент. Эти названия сохраняются даже тогда, когда наше понимание объектов или явлений улучшается — даже если новые знания противоречат исходному смыслу имени.
Атомы действительно можно разрезать или разделить.
Экзопланеты — сокращение от «внесолнечные планеты» — не соответствуют техническому определению слова «планета», принятому Международным астрономическим союзом в 2006 году.
Большой взрыв, впервые названный так в 1949 году, больше не означает первоначальное событие, создавшее нашу Вселенную, а лишь горячее, плотное и расширяющееся последствие окончания космической инфляции.
Наряду со многими другими примерами, атомы просто являются тем, чем они являются. Даже несмотря на то, что их можно «разрезать», они остаются жизненно важным понятием для понимания нашей реальности.
В конце 1990-х годов мне довелось посетить множество древнеримских руин, включая большое количество храмов. Многие из них имели прямоугольную форму, но некоторые были круглыми. На протяжении сотен лет классические учёные ошибочно идентифицировали круглые постройки как «храмы Весты», по аналогии с известным круглым храмом Весты, частично сохранившимся на Римском форуме. В наше время мы узнали, что эти знаменитые храмы, скорее всего, вовсе не были храмами Весты, а являлись святилищами других богов — некоторых известных, а происхождение других до сих пор остаётся загадкой. Однако даже когда мы знаем правду, заставить людей принять изменение названия — мягко говоря, нелёгкая задача.
Именно поэтому наука обычно выбирает не путь смены названия, а путь эволюции его значения. Если мы обнаружим, что тёмная энергия изменяется со временем, мы всё равно будем называть её тёмной энергией, но перестанем связывать её с космологической постоянной. Если выяснится, что тёмная материя взаимодействует с обычной материей или со светом, мы по-прежнему будем называть её тёмной материей, даже если её природа перестанет быть для нас полностью «тёмной». Мы давно знаем, что планетарные туманности не имеют отношения к планетам, но это название сохраняется с момента его появления в 1779 году. Солнце на самом деле не «восходит» и не «заходит», а «падающие звёзды» вовсе не являются звёздами, однако эти названия — закат, рассвет и падающая звезда — вряд ли исчезнут в ближайшее время.
В науке мы не цепляемся за устаревшие значения слов; мы обнаруживаем нечто, даём ему имя, а затем продолжаем его изучать. Если то, что мы узнаём впоследствии, противоречит нашим ожиданиям, существовавшим в момент присвоения названия, — тем лучше для нас. В конце концов, правила именования — не цель науки. Цель науки — познание Вселенной, то есть сам процесс исследования и усвоения знаний о реальности, — именно ради этого мы ею и занимаемся.