Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

Франклин понял – сегодня это известно всем, – что одноименные заряды (положительный и положительный, отрицательный и отрицательный) отталкиваются друг от друга, а разноименные (положительный и отрицательный) притягиваются. Его опыты показали, что чем больше «огня» в предметах и чем ближе они находятся друг к другу, тем мощнее действующие между ними силы, будь то притяжение или отталкивание. Он также определил, – подобно Грею и другим ученым, сделавшим это примерно в то же время, – что одни вещества проводят жидкость или огонь (теперь мы называем их проводниками), а другие нет, почему их и называют непроводниками, или изоляторами.

Франклину не удалось выяснить только одного – из чего же на самом деле состоит этот «огонь». И если это не огонь и не жидкость, то что тогда? И почему его, судя по всему, намного больше в зимнее время, по крайней мере там, где живу я, то есть на северо-востоке США, и где нас постоянно бьет током?

Прежде чем заглянуть внутрь атома, чтобы разобраться с природой электрического огня, нам нужно понять, что электричество пронизывает весь наш мир, причем гораздо сильнее, чем представлял Франклин и чем считает большинство из нас. Оно не только скрепляет львиную долю того, с чем мы ежедневно сталкиваемся, именно благодаря ему возможно все, что мы видим, знаем и делаем. Мы способны думать, чувствовать, размышлять и удивляться лишь потому, что электрические заряды ежесекундно перетекают между несчетными миллионами из примерно 100 миллиардов клеток в нашем мозгу. А дышать мы можем только потому, что электрические импульсы, генерируемые нейронами, заставляют разные мышцы нашей груди сокращаться и расслабляться в сложной симфонии движений. Например – опишу как можно проще, – по мере того как ваша диафрагма сжимается и опускается к грудной клетке, она увеличивает ее объем, втягивая воздух в легкие. А когда она расслабляется и расширяется, она выталкивает воздух из легких. Ни одно из этих движений не было бы возможно без бесчисленных крошечных электрических импульсов, постоянно рассылающих сообщения по всему телу, в данном случае приказывая мышцам сокращаться и прекращать это делать, когда эстафету принимают другие мышцы. Туда-сюда, туда-сюда – и так всю нашу жизнь.

А наши глаза видят только потому, что крошечные клетки-рецепторы сетчатки, палочки и колбочки, воспринимающие соответственно черно-белые и цветные образы, стимулируются падающими на них фотонами и «выстреливают» электрические сигналы через зрительные нервы в наш мозг. А мозг уже определяет, на что это мы смотрим: на подставку для фруктов или на небоскреб. Большинство наших автомобилей работают на бензине (хотя гибриды все больше используют электроэнергию), но мы не смогли бы использовать бензин ни в каком двигателе, если бы не электричество, поступающее через систему зажигания от аккумуляторной батареи в цилиндры, где электрические искры создают контролируемые взрывы, по много тысяч в минуту. Поскольку молекулы образуются благодаря электрическим силам, связывающим атомы, химические реакции – такие как сгорание бензина – без электричества были бы просто невозможны.

Благодаря электричеству лошади бегут, собаки сопят, а кошки потягиваются. Благодаря электричеству пленка для заворачивания продуктов мнется, липкий упаковочный скотч липнет сам к себе, а целлофановая упаковка не слетает с коробки конфет. Этот список, конечно же, далеко не исчерпывающий; на самом деле все, что мы только можем себе представить, существует благодаря электричеству. Как я уже сказал: без него мы не могли бы даже думать.

Это относится даже к вещам, по размерам меньше микроскопических клеток нашего организма. Любая материя на Земле состоит из атомов, и чтобы действительно разобраться, что такое электричество, мы должны заглянуть внутрь атома и кратко обсудить его части (пока что не все, потому что объяснение постепенно становится невероятно сложным, так что ограничимся лишь теми частями, которые нас интересуют на данном этапе).

Сами по себе атомы настолько малы, что увидеть их можно только с помощью самой мощной и сложной аппаратуры – сканирующих туннельных, атомно-силовых и просвечивающих электронных микроскопов. (Потрясающие изображения, полученные с помощью этих инструментов, можно найти в интернете по адресу: www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html.)

Если бы я взял 6,5 миллиарда атомов и выстроил их в ряд, один к одному, у меня получилась бы линия длиной около 60 сантиметров. Ядро же атома меньше самого атома почти в десять тысяч раз и состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов. Последние, как понятно из их названия, электрически нейтральны; они вообще не имеют заряда. Протоны (от греческого слова «протос», то есть «первый») имеют примерно такую же массу, как нейтроны, – непостижимо малюсенькие, примерно две миллиардные от одной миллиардной одной миллиардной (2 × 10 –27) килограмма. Поэтому независимо от того, сколько протонов и нейтронов в ядре – а в некоторых ядрах их более двухсот, – оно остается очень легким. И крошечным – около триллионной доли сантиметра в диаметре.