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

Тот факт, что связанные системы существуют в некотором роде «с большим трудом», только в определенных дискретных состояниях, оставляет им мало разнообразия; собственно говоря, вообще не оставляет разнообразия для состояния с наименьшей энергией, из-за чего все атомы одного типа и получаются совершенно одинаковыми. И не только атомы. Жесткость, встроенная в квантовую природу мира, проявляет себя и в других случаях сборки нескольких частей вместе: они соединяются не как попало, а некоторым дискретным числом способов, и часто – вообще одним-единственным способом. Если я буду лепить модели молекулы воды из пластилина, то все они окажутся у меня немного разными: угол между двумя атомами водорода будет зависеть от каких-то случайностей и неизбежных неточностей. Настоящие же молекулы воды себе такого позволить не могут: они все организованы одинаково именно потому, что такая организация выражает собой решение уравнения Шрёдингера, причем чаще всего единственное[216]. В частности, структурные формулы молекул в подавляющем большинстве случаев

определяют, каким именно образом «собирается» молекула (рис. 10.10); именно поэтому достаточно условные структурные формулы и имеют смысл.

Не так легко представить себе, как был бы устроен мир вокруг нас, если бы жесткие условия сборки молекул не определяли результат практически единственным образом – скажем, если бы уже в молекулах воды угол между двумя атомами водорода мог плавно меняться от молекулы к молекуле. Например, способность «воды» к замерзанию тогда сложно зависела бы от процентного содержания молекул разных типов. В более сложных случаях молекулы то вступали бы между собой в реакцию, то нет или вступали бы с разными результатами, в зависимости от своей «версии». По счастью, ничего этого среди простых молекул не случается: жесткие правила игры держат молекулы «в форме» – причем в единственной, с точностью до дискретных преобразований. Дело опять в том, что уравнение Шрёдингера для связанных систем почти невыполнимо

, а именно невыполнимо для всех случаев, кроме особых, которые можно пересчитать. Без этого мир не собрался бы таким структурированным образом.

*****

Почему Менделеев был прав. Целые числа, описывающие «пойманное» движение, видны не только в спектрах атомов; они присутствуют и на рис. 5.8 – «за кадром», но от этого не менее веско: они определяют форму Периодической таблицы элементов. Для удобства она воспроизведена еще раз на рис. 10.11. Каждая ее строка называется периодом; химические свойства элементов «плавно меняются» от начала к концу периода и в разных периодах делают это сходным образом. В этом и заключается причина называть таблицу периодической. В разных периодах количество элементов неодинаково, из-за чего таблицу и рисуют с разрывами сверху; а чтобы не делать эти разрывы неприемлемо большими по типографским соображениям, части самых длинных периодов, наоборот, выносят в отдельные строки. И вот факт, выведенный Менделеевым из наблюдений над природой, но в то время необъяснимый: в первом периоде 2 элемента; во втором и третьем – 8; в четвертом и пятом – 18; в шестом и седьмом – 32. Сейчас мы (почти) воспроизведем эти числа, просто глядя на рис. 10.9! Надо только вспомнить, что порядковый номер элемента в таблице определяет количество электронов в атоме[217]

.

Рис. 10.11. Периодическая таблица элементов. Каждая строка – период, на протяжении которого химические свойства плавно меняются, в конце периода превращаясь в «противоположные» тем, которые имеются в начале. Длина периодов увеличивается сверху вниз, поэтому первые периоды рисуют с разрывами, а из последующих, наоборот, некоторую часть выносят в отдельные строки