Магия реальности. Откуда мы знаем что является правдой - Ричард Докинз

Жидкость подобна газу в том, что молекулы двигаются друг относительно друга или «текут» (поэтому, в отличие от твёрдых тел, обе называются «текучая среда»). Но молекулы в жидкости намного ближе друг к другу, чем молекулы в газе. Если вы поместите газ в закрытый сосуд, он заполнит каждый уголок сосуда, до самого верха… Объём газа быстро увеличится, заполнив весь сосуд. Жидкость тоже заполнит каждый уголок, но только до определённого уровня. Заданное количество жидкости, в отличие от такого же количества газа, сохраняет объём. Гравитация тянет её вниз, поэтому она заполняет только такую часть сосуда, сколько ей требуется, снизу вверх. Это потому, что молекулы жидкости остаются близкими одна к другой. Но, в отличие от твёрдых тел, они скользят друг вокруг друга, вот почему жидкость ведёт себя как текучая среда.

А твёрдое тело даже не пытается заполнить сосуд — оно просто сохраняет свою форму. Это потому, что молекулы твёрдого тела не скользят друг относительно друга, как молекулы жидкости, а остаются (грубо говоря) на тех же позициях относительно соседей. Я говорю «грубо», потому что даже в твёрдом теле молекулы совершают своего рода покачивания (быстрее при более высокой температуре): они просто не отходят достаточно далеко от своего места «в строю» в кристалле, чтобы повлиять на его форму.

Некоторые жидкости «вязкие», как патока. Вязкая жидкость течёт, но настолько медленно, что хотя очень вязкая жидкость, в конце концов, заполнит нижнюю часть сосуда, это займёт много времени. Некоторые жидкости настолько вязкие — текут настолько медленно — что с тем же успехом могут считаться твёрдыми телами. Подобные вещества ведут себя как твёрдые тела, даже при том, что они состоят не из кристаллов. Пример — стекло. Говорят, что стекло «течёт», но настолько медленно, что должны пройти столетия, чтобы заметить это. Так что, с практической точки зрения, мы можем считать стекло твёрдым.

Твёрдое тело, жидкости и газы — названия, которые мы даём трём обычным «фазам» материи. Многие вещества способны быть всеми тремя, при разных температурах. На Земле метан — газ (часто называемый «болотным газом», потому что он всплывает из болот; иногда он загорается, и мы видим его как блуждающие огоньки). Но на большом и очень холодном спутнике Сатурна, называемом Титан — целые озера жидкого метана. А если бы планета была ещё холоднее, на ней могли бы быть «скалы» из замёрзшего метана. Мы думаем о ртути как о жидкости, но это просто означает, что она — жидкость при обычных температурах на Земле. Ртуть является твёрдым металлом, если её оставить вне помещения арктической зимой. Железо — жидкость, если вы нагреете его до достаточной температуры. И действительно, глубоко в центре Земли располагаются моря жидкого железа, смешанного с жидким никелем. Насколько я знаю, вполне могут существовать очень горячие планеты с океанами жидкого железа на поверхности, и, может быть, со странными существами, плавающими в них — хотя в последнем я сомневаюсь. По нашим стандартам, точка замерзания железа весьма горяча, так что на поверхности Земли мы обычно встречаем его как «холодное железо»[1] а вот точка замерзания ртути весьма холодна, так что мы обычно встречаем ртуть как «живое серебро» (жидкость). На другом конце шкалы температур, и ртуть, и железо становятся газами, если вы их достаточно нагреете.

Внутри атома

Когда мы пытались представить деление материи на мельчайшие частицы, в начале этой главы, мы останавливались на атоме. Атом свинца — это мельчайший объект, который мы можем назвать свинцом. Но можем ли мы подвергнуть атом ещё большему делению? И действительно ли атом свинца выглядит как очень маленький кусочек свинца? Нет, он не выглядит очень маленькой частицей свинца. Он не похож ни на что. Потому что атом настолько маленький, что не виден даже в очень мощный микроскоп. Конечно, вы можете разделить атом на ещё более мелкие частицы, но то, что мы получим, не будет являться тем же самым элементом, причины этого мы скоро узнаем. Более того, это очень трудно сделать, и это высвободит огромное количество опасной энергии. Вот почему для некоторых людей фраза «расщепить атом» звучит настолько угрожающе. Это было сделано знаменитым новозеландским учёным Эрнестом Резерфордом в 1919 году.

Хотя мы не можем видеть атом, и хотя мы не можем расщепить его, не превратив во что‑то ещё, это не значит, что мы прекращаем исследовать его содержимое. Как я объяснял в главе первой, когда учёные не могут увидеть что‑то непосредственно, они предлагают модель, на которую объект мог быть похож, и они тестируют эту модель. Научная модель — это способ представить себе то, какими могли быть вещи. Поэтому модель атома — это мысленная картина того, каким бы он мог быть внутри. Научная модель может казаться полётом фантазии, но это не так. Учёные не останавливаются на выдвижении модели: они идут дальше и тестируют её. Они говорят, «Если бы модель, которую я вообразил, была бы верной, мы могли бы ожидать увидеть в реальном мире то‑то и то‑то». Они предсказывают, что получится, если вы проведёте практические эксперименты и сделаете определённые измерения. Успешная модель та, предположения которой верны, особенно если они подтверждаются экспериментом. И если предположения оказываются верны, то мы надеемся, что это значит, что модель является действительностью, или, по крайней мере, частью действительности.

Иногда предположения оказываются неверны, и поэтому учёные возвращаются и исправляют модель, или придумывают новую, затем продолжают её испытывать. Другими словами, процесс представления модели и затем испытывания её — что мы называем «научным методом» — имеет гораздо больше шансов получить реальный результат, чем даже наиболее образный и красивый миф, созданный для того, чтобы объяснить то, что люди не понимали и часто не могли понять.

Ранней моделью атома была так называемая модель «Пудинг с изюмом», предложенная великим английским физиком Дж. Дж. Томсоном в конце 19–го века. Я не буду описывать её, потому что она была заменена более успешной моделью Резерфорда, впервые предложенной тем самым Эрнстом Резерфордом, который расщепил атом, который приехал из Новой Зеландии в Англию работать учеником Томсона и позже сменил Томсона на посту профессора физики в Кембридже. Модель Резерфорда, которую позднее уточнил, в свою очередь, ученик Резерфорда, знаменитый датский физик Нильс Бор, рассматривала атом как крошечную, миниатюризированную солнечную систему. В центре атома — ядро, которое содержит большую часть его материала. И есть крошечные частицы, названные электронами, со свистом летающие вокруг ядра по «орбите» (хотя слово «орбита» может вводить в заблуждение, если вы думаете о нем, как о планете, вращающейся вокруг солнца, потому что электрон не маленький круглый предмет в определённом месте).

В модели Резерфорда/Бора, которая, вероятно, отражает реальную истину, удивительно то, что расстояние между ядрами очень велико по сравнению с размером ядра, даже в плотном куске твёрдого вещества, такого как алмаз. Ядра сильно разбросаны. Это тот момент, к которому я обещал вернуться.

Помните, я говорил о том, что кристалл алмаза — гигантская молекула, созданная из атомов углерода, похожих на солдат в строю, но в трёхмерном строе? Что ж, теперь мы можем улучшить нашу «модель» кристалла алмаза, придав ей масштаб — то есть, ощущение того, как размеры и расстояния в нем связаны друг с другом. Предположим, что мы представляем ядро каждого атома углерода в кристалле не солдатом, а футбольным мячом с электронами на орбите вокруг него. В этом масштабе соседние мячи в алмазе были бы на расстоянии более чем в 15 километров.

15 километров между мячами будут содержать электроны на орбите вокруг ядра. Но каждый электрон, в нашем «футбольном» масштабе, намного меньше, чем комар, и эти миниатюрные комары сами удалены на несколько километров от мячей, которые они облетают. Поэтому понятно — и удивительно — что даже твёрдый алмаз представляет собой почти полностью пустое место!

То же самое справедливо для всех пород, независимо от их прочности и твёрдости. Это верно для железа и свинца. Это также верно даже для самой твёрдой древесины. И это относится к вам и ко мне. Я уже говорил, что твёрдое вещество сделано из атомов, «упакованных» вместе, но «упакованных» здесь означает что‑то довольно странное, потому что сами атомы — главным образом пустое место. Ядра атомов расположены настолько далеко друг от друга, как если бы два футбольных мяча разделяло расстояние в 15 километров, а между ними летали бы несколько комаров.

Как такое может быть? Если камень является почти полностью пустым пространством, с реальной материей, разбросанной как футбольные мячи на километры друг от друга, почему он настолько жёсткий и твёрдый? Почему он не разрушается как карточный домик, когда вы сидите на нем? Почему мы мы не видим прямо через него? Если и стена, и я — в основном пустое место, почему я не могу пройти прямо через стену? Существует довольно забавная история об американском генерале Стабблебайне, который попытался это сделать. Вот история, которую я уже цитировал в предыдущей книге.