Як отримати атоми розміром з грейпфрут?

Ми давно вже звикли, що атоми, з яких складаються всі навколишні нас тіла, дуже маленькі. Діаметром вони менше однієї мільйонної міліметра, і окремо видно тільки в електронні і зондові мікроскопи. Але жодна теорія не обмежує розміри атомів. І дійсно, можна створити атоми розміром з вишню, яблуко або навіть грейпфрут! Так як це зробити?

Давно відомо, що електрон в атомі може знаходитися на певних енергетичних рівнях, які позначаються квантовим числом n. Від цього числа залежить енергія електрона і, грубо кажучи, радіус його орбіти, якщо вважати, що він рухається по колу навколо ядра.

У природі зустрічаються атоми з невеликими значеннями n. І їх розміри дійсно невеликі. Однак можна перекинути електрон на рівень з n = 1000, опромінюючи його квантом світла з тонко підібраної енергією і частотою. Тут саме головне не переборщити, тому що при великих n рівні розташовуються дуже близько до самої крайньої межі енергії, після досягнення якої електрон взагалі відлітає з атома.

Так ось. Радіус орбіти залежить від квадрата n, тому його розміри збільшаться в 1 000 000 разів у порівнянні з основним станом. Виходить, що якщо атом був розміром в одну десятимільйонну міліметра, то в стані з n = 1000 він буде розміром в одну десяту міліметра. Якщо його перевести в стан з n = 10000, то його діаметр буде 1 см, як у невеликої вишні. Якщо перевести його в стан з n = 100000, то це буде вже 100 см, в стані з n = 32000 буде 10 см.

На даний момент створено атоми з n = 1100, але це тільки технічне обмеження.
Такі атоми називають ридберговских атомами. Вони мають нереальним розміром, і в них можна зафіксувати, як електрон обертається навколо ядра. Однак такі атоми дуже нестабільні. Так як електрон знаходиться дуже далеко від ядра, то будь-яке зіткнення з іншим атомом, будь потрапив на нього фотон будуть приводити до вибивання електрона з атомів, і такий стан буде втрачено. Так що, не дивлячись на те, що створити такі атоми можна, помацати їх не вийде. Та й побачити теж, адже для цього атом потрібно висвітлити, а при освітленні будь-фотони будуть не відбиватися, а поглинатися.

Цікаво те, що вчені знайшли такі атоми в далеких космічних туманностях. Там вони можуть літати тривалий час без зіткнень і існувати в такому стані досить довго.
Забавно, але в такому випадку можлива ситуація – атом всередині атома.

Отже, тепер ми знаємо, що такі мікрооб’єкти, як атоми, при певних умовах можуть бути досить великими. Так що їх і мікро-то не назвеш. А ось наскільки сильно ми можемо їх зменшити? Який їхній мінімальний розмір?

Що стосується повноцінного атома, то для будь-якого з них можна розрахувати мінімальний радіус. Він буде досягатися, коли всі електрони зайняли найнижчі енергетичні стану. Наприклад, для атома водню в стані n = 1 радіус 5,3 × 10-11 метрів. Згідно квантовим уявленням, щоб перейти в стан з ще меншою енергією, йому необхідно випроменити квант, порцію певної енергії, однак вона вже більше, ніж у нього є в наявності. Тому він залишається на цій орбіті надовго.

Але якщо розглядати тільки окреме ядро, то зі зменшенням його розмірів будуть виникати проблеми. Це можна зробити по-різному. Наприклад, ми будемо стискати протон за допомогою інших протонів, які оточать наш бідненький експериментальний і будуть тиснути з усіх боків. Тоді, починаючи з якогось моменту, протони перетворяться в нейтрони, хоча це не настільки важливо, і, наблизившись на занадто малу відстань один до одного, будуть відчувати настільки колосальні сили відштовхування, що подальше стиснення буде практично неможливим. Буде дуже складно знайти таку силу, яка зможе стиснути таку матерію. Але у всесвіті таку силу можна знайти – це сила гравітації при стисканні зірки в чорну діру. Коли зірка досить велика і сила гравітації може переважити силу відштовхування нейтронів, відбувається подальше стиснення і гравітація стає ще більше. Виникає неконтрольоване стиснення аж до нульових розмірів. Точка, в яку все стиснеться, називається сингулярність, і радіус у неї – 0. Навколо неї і виникає чорна діра.

Так що не захоплюйтеся зі стисненням атомів, а то отримаєте не самий доброзичливий об’єкт у Всесвіті.
Виходить, при стисненні атомів ми виявляємо, що їх мінімальний розмір – 0 м? Але це дуже дивно. І все фізики теж так вважають. Самим зрозумілим поясненням цього факту є те, що гравітація на малих розмірах поводиться якось по-іншому, не як в наших законах і формулах. На мікроскопічних відстанях добре працює квантова теорія поля, але об’єднати її з нинішньою теорією гравітації ну дуже складно. Якраз це намагається зробити теорія струн і інші альтернативні теорії.

До речі, квантова фізика визначає цілком розумний мінімальний розмір чого-небудь – це Планка довжина. Вона дорівнює 1,6 · 1035 метра. Можна вважати, що це квант простору, що не існує об’єктів розміром менше цього і фізичні закони не застосовні на більш дрібних масштабах. Але не забувайте, що ця величина – продукт сучасних фізичних теорій, які далеко не досконалі. Так що можливо, мінімальний розмір зовсім інший, якщо взагалі існує.

Посилання на основну публікацію