В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

После того как квантовая механика триумфально объяснила поведение атомов, физики естественным образом обратились к ядерной физике, однако, несмотря на многочисленные практические успехи (включая ядерные реакторы и водородную бомбу), мы до сих пор не понимаем поведение ядра настолько же хорошо, как поведение атома. Это, впрочем, не должно удивлять. Радиус ядра в 100 тысяч раз меньше, чем радиус атома, а поскольку объем пропорционален кубу радиуса, то атом по сути в тысячу миллионов миллионов (10¹⁵

) раз больше ядра. Можно измерить простые свойства вроде массы и заряда ядра, и эти измерения ведут к концепции изотопов – ядер, обладающих тем же числом протонов, а потому образующих атомы с тем же числом электронов (и теми же химическими свойствами), но другим числом нейтронов, а следовательно, и другой массой.

Так как все протоны, формирующие ядро, заряжены положительно, а потому отталкиваются друг от друга, их должен удерживать вместе некий сильный «клей» – сила, действующая только на очень коротких расстояниях, соответствующих размеру ядра, которая называется сильным ядерным взаимодействием (существует также и слабое ядерное взаимодействие, которое слабее электрической силы, но играет значительную роль в некоторых ядерных реакциях). Похоже, что нейтроны тоже играют роль в стабильности ядра, поскольку, лишь посчитав количество протонов и нейтронов в стабильном ядре, физики создают картину, очень напоминающую оболочечное расположение электронов вокруг ядра. Самое большое число протонов, обнаруженное во встречающемся в естественных условиях ядре, составляет 92 – в уране. Хотя физики преуспели в создании ядер, содержащих до 106 протонов, они нестабильны (за исключением некоторых изотопов плутония с атомным числом 94) и распадаются на другие ядра. Всего существует около 260 известных стабильных ядер. Наше знание об этих ядрах даже сегодня кажется менее адекватным, чем модель Бора в качестве описания атома, но явно видны признаки того, что в ядре есть определенная структура.

Ядра с 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 нуклонами (нейтронами или протонами) особенно стабильны, и соответствующие им элементы встречаются в природе чаще, чем атомы с несколько иным числом нуклонов, поэтому эти числа иногда называют «магическими». Но в структуре ядра доминируют протоны, и для каждого элемента существует только ограниченное количество возможных изотопов, соответствующих различному количеству нейтронов – возможное количество нейтронов обычно немного превосходит количество протонов и увеличивается для тяжелых элементов. Ядра, обладающие магическим числом и протонов, и нейтронов, особенно стабильны, и на этом основании теоретики предполагают, что сверхтяжелые элементы, в ядре которых содержится около 114 протонов и 184 нейтронов, должны быть стабильны, но такие огромные ядра никогда не обнаруживались в природе и не создавались в ускорителях частиц посредством добавления нуклонов к самым массивным ядрам, встречающимся в природе.

Самое стабильное ядро из всех принадлежит железу-56, и более легкие ядра «хотят» увеличить количество нуклонов и стать железом, в то время как более тяжелые ядра «хотят» избавиться от нуклонов и приблизиться к наиболее стабильной форме. Внутри звезд самые легкие ядра водорода и гелия превращаются в более тяжелые через серию ядерных реакций, которые синтезируют легкие ядра вместе, на пути к железу формируя элементы вроде углерода и кислорода и высвобождая в результате этого энергию. Когда некоторые из звезд взрываются в качестве сверхновых, в ядерные процессы проникает огромное количество гравитационной энергии, и в результате на железе синтез не останавливается, и возникают более тяжелые элементы, включая уран и плутоний. Когда тяжелые элементы возвращаются к самой стабильной форме, высвобождая нуклоны в форме альфа-частиц, электронов, позитронов или отдельных нейтронов, они тоже испускают энергию, которая по сути является аккумулированной энергией давно состоявшегося взрыва сверхновой. Альфа-частица по сути представляет собой ядро атома гелия и состоит из двух протонов и двух нейтронов. Высвобождая такую частицу, ядро сокращает свою массу на четыре единицы, а атомный номер – на две. Это происходит в соответствии с принципами квантовой механики и законами неопределенности, открытыми Гейзенбергом.