Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Существуют, но «с большим трудом» – благодаря исключениям, которые все же допускает уравнение Шрёдингера. У него действительно нет решений для стационарных состояний, за исключением очень специальных ситуаций, которые определяются полной энергией ядра и электрона с учетом их притяжения. Сконцентрируемся на атоме с одним электроном (в природе это атом водорода или же ион – комбинация из ядра какого-то другого атома и единственного электрона). При произвольном значении энергии электрона у уравнения Шрёдингера просто нет стационарных решений: компромисса между принципом неопределенности и притяжением к центру найти не удалось, стороны расходятся, не договорившись, атом и в самом деле не существует! Картина меняется только при отдельных, специальных значениях энергии. Это не самое привычное положение вещей. Попробуйте представить себе, например, что все комнатные растения у вас дома могут жить только при температурах из списка значений 17,4750 ℃, 20,7111 ℃, 21,8438 ℃, 22,3680 ℃, …, а при любой другой температуре немедленно погибают. Это непростое требование к существованию растений. Ровно настолько же нелегко и электронам в атомах – и тем не менее природа построена на таких специальных, можно сказать, исключительных случаях[209].

«Хорошие» значения энергии, при которых атом все-таки существует, тоже можно организовать в список и заодно пронумеровать числами 1, 2, 3, …. Значения энергии из этого списка для данного атома абсолютно одинаковы везде во Вселенной; если инопланетяне сообщат вам, чему равна наименьшая возможная энергия электрона в атоме водорода, выраженная в и. е.э., вы будете точно знать, чему равна эта «инопланетная единица энергии». Наименьшую возможную энергию мы всегда помещаем в список под номером 1, а далее располагаем значения энергии в порядке возрастания; это не обязательно, но удобно настолько, что нет причин сомневаться, что инопланетяне тоже так делают.

Этот список разрешенных энергий – фундаментальное свойство атома. И что немаловажно, его (список!) можно наблюдать почти непосредственно. Он виден – я бы сказал, проступает – в свойствах света, который излучается или поглощается атомами. Если электрон устроился вблизи притягивающего ядра, имея первую энергию из списка, мы можем заставить его устроиться по-другому, передав ему энергию, в точности равную разнице между первой и, скажем, десятой энергиями. Способ передачи энергии – свет: нужно отправить на свидание с электроном порцию света – фотон – с точно заданной энергией. Внезапно отдельные куски пазла начинают собираться: поскольку энергия фотона есть произведение h · (частота), все, что требуется, – это отправить свет определенной частоты (или, что то же самое, определенной длины волны), т. е. свет определенного цвета. Электрон поглотит его, сам фотон исчезнет, но энергия его никуда не денется, а останется у электрона, который и устроится в состоянии номер десять. При этом свет близкой, но отличающейся длины волны, несущий чуть другую энергию, не сможет отдать эту энергию электрону, потому что у того нет способа существования в атоме с неподходящей энергией (а забрать энергию фотона можно только целиком: фотон не делится на части!). Мы этим пользуемся: путешествуя от источника к детектору и встречая по пути достаточно разреженное вещество, свет зацепляется за него, но только в той своей части, которая имеет подходящую длину волны. В результате в спектре – разложении приходящего света по длинам волн – образуются затемнения, означающие, что свет с некоторыми длинами волн до детектора не доходит. Положение этих линий поглощения точно свидетельствует об атомах, встреченных светом по дороге. В других условиях, когда вещество само излучает свет, на тех же длинах волн могут наблюдаться яркие линии: электрон, по каким-то причинам забравшийся в состояние с шестой или десятой энергией, расстается с ней, испуская фотон, а сам попадает с состояние с меньшей энергией. Разница между двумя энергиями из списка становится энергией фотона, и мы в результате наблюдаем свет со вполне определенной длиной волны[210].

Рис. 10.7.Сверху: иллюстрация к задаче «Продолжите последовательность 656,279; 486,135; 434,0472 и 410,1734» – спектральные линии водорода в видимой области спектра. Указаны длины волн в нанометрах. Снизу: спектральные линии гелия. Этот элемент был сначала открыт на Солнце по своим спектральным линиям