Модель Резерфорда не смогла объяснить все свойства атома, и тогда физик Нильс Бор допустил, что электроны двигаются вокруг ядра из протонов только по стационарным круговым орбитам, которые он назвал уровнями энергии.
Поскольку точное определение местоположения уровней энергии электронов внутри атома вызывало трудности, такие физики, как Гейзенберг, Шредингер и Дирак, выдвинули концепцию орбит. Орбитами можно назвать те области атома, где вероятность встретить электрон, вращающийся вокруг ядра, достигает максимума.
Оставшаяся масса атома приходится на нейтроны – частицы, открытые в 1932 году Джеймсом Чедвиком. Характерной особенностью нейтрона является значительный вес и отсутствие электрического заряда. В 1930 году был открыт мюон – частица, идентичная электрону, но в 200 раз тяжелее. В 1950-м обнаружили пятую частицу – нейтрино, – в изобилии присутствующую в космических лучах, прибывающих на Землю от Солнца.
Кварки
В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг доказали, что протоны и нейтроны не являются самими маленькими составляющими атомного ядра. И те и другие включают в себя еще более мелкие частицы – кварки. Кварк не единообразен: он существует в шести вариациях, называемых ароматами. Под ароматом понимают качества или физические свойства, которые позволяют нам различить шесть типов кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, истинный и красивый. В свою очередь каждая из упомянутых разновидностей существует в трех разных цветах, также обозначающих физические свойства.
Учитывая ароматы и цвета, в целом получается 18 разновидностей кварков. Более того, каждому кварку соответствует своя античастица, таким образом, их всего 36. Важно помнить, что лишь две из этого количества частиц принимали участие в создании материального мира: верхний (up) и нижний (down) кварк. Протон состоит из двух up-кварков и одного down-кварка; нейтрон – из двух down-кварков и одного up-кварка.
Электрон – это частица, которая двигается по орбите вокруг атомного ядра. В соответствии с этой моделью она является фундаментальной (не имеющей составных частей).
Струны
В последние годы появилась новая модель, утверждающая, что мельчайшие компоненты материи – фундаментальные частицы – в действительности не точечные и не компактные, какими мы их всегда считали. Если бы оказалось возможным в достаточной степени увеличить кварк с помощью супермикроскопа, то выяснилось бы, что частица, которую представляли твердой как камень, – лишь плод нашего воображения.
На самом деле в таком крошечном масштабе мы разглядели бы одномерное волокно энергии, вибрирующее, как струна скрипки.
Именно это одномерное волокно энергии, вибрирующее на разных скоростях, и выглядит как нечто твердое и массивное, если рассматривать в другом разрешении. На уровне размера атома струны трансформируются в массивные и конкретные фундаментальные частицы, уже нам знакомые: кварки и электроны.
На приведенном ниже рисунке представлена модель базовой структуры материи – от макроуровня (в виде капли воды) до микроуровней (выраженных кварками):
Вселенная из битов
Существует ли нечто более фундаментальное, чем струны? Некоторые, в том числе и автор этой книги, считают, что в самой основе мира лежат биты информации. Марио Бунге называет это цифровой метафизикой. Биты информации являются базовыми составляющими Вселенной. А уже из них программы, заложенные в законах природы, разворачивают информацию в пространственно-временной континуум, который и содержит физическую реальность. Другими словами, наша Вселенная – это гигантский квантовый компьютер.
Если расположить по размеру – от бесконечно малого до бесконечно большого, – то последовательность будет такая:
ebooksa