2. Вездесущая сила

Погружение в микромир

Первые наблюдения

И снова именно греки первыми задумались о сути бесконечного малого: из чего состоит материя? Они выдвинули гипотезу, что всякий объект состоит из маленьких простейших кирпичиков, которые они назвали атомами. Это объясняло тот факт, что материя может быть разделена на части до образования мельчайшей пыли, если одни атомы попросту отделить от других. С другой стороны, греки предполагали, что сам атом невозможно поделить, то есть он является зерном самой мелкой пыли, какую только возможно получить, и, соответственно, так мал, что его не видно невооруженным взглядом.

По мнению греков, атомы имели форму маленьких шариков (не будем забывать, как греки любят все круглое!)… Атомы должны иметь определенную массу: чем больше атомов, тем больше масса объекта. Это, в общих чертах, объясняло факт, что чем объект крупнее, тем он тяжелее.

Таким было положение вещей до эпохи Возрождения. Внести ясность помогли исследования в области химии, в частности с подачи Антуана Лавуазье.

Вклад химии

Было очевидно, что некоторые вещества имели довольно специфические химические свойства: например, некоторые жидкости сильно «разъедали» твердые тела. Эти жидкости были названы «кислотами», а твердые тела отнесены в категорию металлов. Кислоты наверняка содержали какие-то особенные вещества, которые отличали их от прочих жидкостей: микроскопические составляющие тел, придающие им особые химические свойства, назовут молекулами.

Но когда разные вещества смешивались, их химические свойства менялись, а значит, и молекулы менялись тоже. Одни исчезали, другие появлялись. Но поскольку масса вещества оставалась неизменной, значит, ничто по-настоящему не «исчезало»: молекулы просто менялись. Это и было фундаментальным открытием Лавуазье: «Ничто не теряется, ничто не создается, все меняется».

Если молекулы могли таким образом меняться, значит, они не являлись «простейшими кирпичиками», о которых говорили греки. Молекулы составлены из нескольких элементов, которые, выстраиваясь определенным образом, образуют молекулу: те самые, известные нам атомы.

Все более сложные химические реакции позволили мало-помалу изолировать эти атомы и описать их: каждый атом сообщает определенные химические свойства молекуле, частью которой он является. Обмениваясь атомами, молекулы могли меняться и менять свои свойства.

Возьмем пример: вода состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода Н и один атом кислорода О. То есть ее формула H₂О. Если мы заставим водяной пар соприкоснуться с раскаленным железом, атомы молекул перегруппируются: атомы кислорода двух молекул воды соединятся, покинув водород, чтобы сформировать новую молекулу – О₂, состоящую из двух атомов кислорода (газа столь важного для нашей жизни). Что же касается оставшихся четырех атомов водорода, они образуют две двухатомные молекулы водорода H₂.

Уравнение записывается так: 2H₂О → O₂ + 2H₂

Молекулы воды исчезли, но масса осталась прежней, поскольку атомы просто перегруппировались. Любопытно, что, если мы поднесем спичку к новым образованиям O₂ и H₂, это поможет атомам перестроиться заново и снова образовать… воду H₂О! А еще во время этой реакции прогремит взрыв большой мощности…

Внутренность атома

Долгое время считалось, что атомы – элементарные частицы материи. Но в самом конце XIX в. один опыт подвергает эту аксиому сомнению. В этот период Джорджу Джону Томсону удается выделить частицу из внутренности атома, нагрев металлическую поверхность. Опыт позволил констатировать следующие важные факты:

• Выделенная частица, которая получила название «электрон», обладает отрицательным зарядом. Но поскольку атом по своей природе нейтрален, следовательно, внутри его должна быть и частица с противоположным зарядом, чтобы свести общий заряд к нулю. Этой другой частицей является протон.

• Масса электрона гораздо меньше общей массы атома, что показывает, что в атоме содержатся другие, более тяжелые частицы. Дальнейшие опыты покажут, что протон в тысячи раз тяжелее электрона.

• Только электроны можно легко отделить от атома, протоны выглядят незыблемыми. В начале ХХ в. Эрнест Резерфорд предположил, что электроны движутся по орбите вокруг ядра гораздо меньшей величины, в котором сконцентрированы протоны и которое очень трудно разрушить. Он проводит аналогию с Солнечной системой, подавляющая часть массы которой содержится в Солнце, вокруг которого вращаются планеты. Опыт подтвердит наличие протонов и их скопление в крошечном ядре.

Дальнейшие рассуждения показали, что подобная модель атома несовершенна, и квантовая физика позволила лучше понять суть вещей. Но мы пока что удовольствуемся «планетарной» моделью атома: протоны действительно сгруппированы в ядре, размер которого в сотни тысяч раз меньше атома, остальное пространство занято электронами.

И только в 1932 г. после опытов с ядерными реакциями открыто существование еще одной частицы, содержащейся в ядре, – речь идет о нейтроне, тяжелом, но лишенном заряда.

Мы слегка коснулись элементарных частиц материи (более подробно мы остановимся на этом в главе о ядерной физике). Масса протона почти равна массе нейтрона, заряд протона противоположен заряду электрона: его называют «элементарный заряд».

Атом водорода содержит один протон и один электрон: это самый легкий из атомов. Атом урана содержит 92 протона, 92 электрона и 146 нейтронов – это самый тяжелый из атомов, существующих в естественном состоянии. Можно создать более тяжелые атомы, но они будут неустойчивы.

Мимоходом заметим, что определение атома, данное греками, устарело, потому что атомы уже не являются неделимыми частицами.

Таким образом, материя, которая в нашем масштабе представляется нейтральной, окажется глубоко заряженной, когда мы погрузимся внутрь атома, то есть в пространство в десятки миллионов раз меньше миллиметра.

СОСТАВ АТОМА: ОБОБЩЕНИЕ

Резюмируем факты о составных частях атома, которые мы упоминали:

Любопытная разница в массе протона и электрона обнаруживается при их распределении в атоме: электроны занимают гораздо больший объем, чем ядро. Чтобы представить это наглядно, можно взять простой пример: если бы ядро было шариком с радиусом 10 см, размер атома составлял бы 10 км. В главе 24 мы увидим, что эта разница между объемами электронов и ядра в точности связана с разницей масс между двумя частицами.

Несмотря на кажущееся сходство, мы увидим, что электрон и протон две очень разные частицы, принадлежащие к двум совершенно различным категориям. Почему же заряд электрона точно противоположен заряду протона? Этого мы не знаем. Можно лишь констатировать, что, если бы это было не так, атом имел бы заряд, а тогда формирование звезд и планет было бы невозможно.

В связи с этим некоторые физики выдвигают на первый план так называемый «антропный принцип» (связанный с человеком). Согласно этому принципу, вселенные стремятся к формированию, но во вселенной, где электронам не противопоставлены протоны, не может возникнуть жизнь: этот процесс некому наблюдать, и все происходит так, словно их не существует.

НАЭЛЕКТРИЗОВАННЫЕ ОБЪЕКТЫ

В итоге мы можем вернуться к нашему первоначальному опыту: почему линейка, которую потерли о шерстяной свитер, обретает заряд?

Когда вы трете один предмет о другой, это отрывает электроны первого предмета, которые скапливаются на втором предмете. Первый предмет становится положительно заряженным (из-за недостатка электронов), а второй отрицательно заряженным (из-за их избытка): это так называемый «трибоэлектрический эффект».

Способность терять и приобретать электроны при трении сильно зависит от рода вещества: со многими из них при трении ничего не происходит. В этом случае, если вы будете продолжать трение, попросту отделите целые атомы, что не изменит заряд предмета, но может его испортить.

И все же остается один вопрос: почему наэлектризованная линейка притягивает кусочки бумаги, если они не заряжены?

Отрицательный заряд линейки притягивает положительные заряды бумаги и отталкивает отрицательные заряды бумаги (см. схему ниже). Таким образом, если бумага в целом не имеет заряда (нейтральна), она содержит положительные заряды, которые гораздо ближе к линейке, чем отрицательные заряды. Электростатическая сила уменьшается с увеличением расстояния, и притяжение между «минусами» линейки и «плюсами» бумаги преобладает над отталкиванием «минусов» линейки и «минусов» бумаги: бумага прилипает к линейке.

Электростатическая сила в повседневной жизни

Если мы сравним силу гравитации, действующую на два протона, и электростатическую силу, действующую на те же протоны, мы увидим, что она в миллиарды, миллиарды, миллиарды и миллиарды раз слабее! Нет смысла уточнять, что на микроскопическом уровне электростатическая сила преобладает над всеми явлениями.

В конечном итоге если сила притяжения выглядит преобладающей в мире больших величин, то это потому, что отрицательной массы не существует. По мере того как мы соединяем атомы друг с другом, масса только увеличивается, пока на уровне планеты не достигнет огромных размеров. В то время как протоны (со знаком +) притягивают к себе электроны (со знаком –), это делает общую систему нейтральной на уровне атома. В конечном итоге, притягивая противоположные заряды одни за другими, электростатическая сила гасит сама себя.

К счастью, это не мешает ей в нашем масштабе иметь колоссальное влияние на нашу повседневную жизнь. Если вы не проваливаетесь сквозь землю, это происходит именно потому, что электроны внутри атомов электростатически отталкивают электроны атомов ваших подошв. Если бы сила гравитации была мощнее, вы провалились бы под Землю до самого центра, но, к счастью, как мы можем убедиться, этого не происходит.

Таким образом, всякие силы, возникающие «при контакте», являются в широком масштабе проявлением электростатической силы на атомном уровне: когда вы идете, когда открываете дверь, когда едете на велосипеде против ветра, когда тормозите… Каждый раз, когда существует «контакт», это значит, что электроны, присутствующие в атомах двух тел, сблизились настолько, чтобы взаимодействовать друг с другом и отталкиваться электростатической силой. Конечно, электростатическая сила – сила, действующая на расстоянии, но расстояние в данном случае атомного уровня, то есть микроскопическое, а значит, действует как при полноценном контакте.

ПРИНЦИП ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

В случае с гравитацией и электростатикой силы двух тел, воздействующих друг на друга, равны. Поскольку это две основополагающие силы, управляющие нашей жизнью, это значит, что это справедливо также для «контактных» сил нашего масштаба.

Этот закон, просто выведенный из выражения двух фундаментальных сил, был сформулирован Ньютоном: он состоит из «закона действия и противодействия», называемого также «законом взаимодействия». Если вы действуете на предмет с определенной силой, он действует с той же силой на вас. Например, если вы бросаете мяч вперед в бассейн, ваше тело слегка отклонится назад.

На этом принципе строится функционирование ракеты: газы, сгорающие в сопле, выбрасываются вниз, в свою очередь толкая ракету вверх, что позволяет ей взлететь!

Необходимо усвоить, что этот закон можно рассматривать как простое следствие проявления двух фундаментальных сил.

Электростатическая сила также лежит в основе электричества: оно есть не что иное, как перемещение электронов, движимых электростатической силой. Более подробно мы остановимся на нем в соответствующем разделе.

Если добавить к этому, что фотоны, из которых состоит свет, являются посланниками электростатической силы, станет ясно, что электростатика превалирует в нашей жизни в наимельчайших деталях.

ПОСЛЕДНИЙ ВЗГЛЯД НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛЫ

Пытаясь определить сущность силы, мы убедились, что ускорение объекта, вероятно, зависит от свойственного объекту параметра, называемого «инертной массой», откуда выражение F^→; = ma^→; (где m – инертная масса).

На самом деле это справедливо только для одной из двух фундаментальных сил – электростатической. При гравитационном взаимодействии, как мы убедились, ускорение не зависит от инертности объекта.

Почему же в конечном итоге мы пишем, что F^→; = ma^→;, а не F^→; = a^→;? Потому что все «контактные» силы, управляющие нашей повседневной жизнью, являются выражением электростатической силы и приводят к ускорению, зависящему от инертности объекта.

Если бы в нашей жизни превалировала гравитация, равное ускорение двух объектов в свободном падении нас ни капли не удивило бы. Но нас сильно бы озадачило, что толкнуть массивный объект гораздо труднее, нежели какую-то безделушку.

Равное ускорение двух объектов в свободном падении, может, и не так уж таинственно. А вот равенство гравитационной и инертной массы выглядит по-прежнему загадочно, ибо оно предполагает, что гравитационная масса участвует в электростатическом взаимодействии.

СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ

• Электростатическая сила прямо пропорциональна зарядам взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния, которое их разделяет.

• Одинаковые заряды отталкиваются, противоположные – притягиваются.

• Как и гравитация, она подтверждает закон о взаимодействии, который, таким образом, оказывается применим к любой силе.

• В основном она касается протонов и электронов на атомном уровне, но тем самым позволяет объяснить все «контактные» силы, действующие в нашем масштабе.

• Фотоны, составляющие свет и все электромагнитные излучения, являются частицами-посланниками этой силы.

• Электричество – особая область применения, где электроны приводятся в движение посредством электростатической силы.