← На головну

Чи можна зменшити атом? Науково-популярна лекція.

Опубліковано: 2026-06-15

Чи можна зменшити атом? Науково-популярна лекція.

Шановні слухачі, я вас вітаю. Якщо ви дивились мої попередні лекції, то знаєте, що ми вже багато говорили про різні аспекти фізики. Це був і квантовий світ, і природа маси, і час, і гравітація, і взагалі те, як фізика описує наш світ на фундаментальному рівні. І сьогодні я б хотів продовжити цю розмову, але з досить неочікуваного боку. Я б хотів поговорити про атом, але не просто про його будову, а про майже, ну, так би мовити, фантастичне питання: чи можна атом зменшити? Це питання звучить знайомо. Ідея зменшення от речей, там, людей, машин, навіть тілк світів, вона постійно з'являється у фантастиці. Ну, от, наприклад, людина мурахамен від Marvel, головний герой за допомогою якихось там частинок піма маніпулює відстанню між атомами. Він зменшує власне тіло там до розміру комахи, іноді взагалі до субаторного рівня. Він там занурюється в квантовий світ, причому не втрачаючи свої сили. Е-е або сімейна комедія мого дитинства: "Люба, я зменшив дітей". Тут під дією якогось там випадкового променя діти головного винахідника потрапляють в світ звичайного заднього двору і він перетворюється для них на якісь там непрохідні, небезпечні джунглі. І у всіх цих історіях зменшення подається як певна технічна операція. От ми натиснули кнопку і об'єкт раз і став менше. При цьому він зберігає всі свої функції і всю свою будову. Ну, звичайно, що реальна фізика такого сценарія не розглядає. Ми не знаємо жодного способу просто так от стиснути предмет, при цьому зберігши повністю його структуру. Але фізика все ж таки має варіанти відповіді на це запитання. Якщо сформулювати його правильно, то виявляється, що атом дійсно в певному сенсі можна зробити менше. Просто це не зовсім те означає, що стається. От що взагалі таке зменшити атом. У повсякденному уявленні атом, ну, це щось така маленька кулька. Ну, можливо, там з якимось ядром всередині, електронами навколо. Якщо мислити саме так, то зменшення атома виглядає досить просто. Треба взяти цю кульку і стиснути. Але це уявлення є помилковим. Атом не має твердої поверхні. Атом не має чіткої межі. Електрони в ньому не літають по якимось там орбітам. Атом - це квантова система. І розмір цього атома визначається не геометрією, а розподілом їймовірності. Тому, коли фізики кажуть про зменшення атома, вони можуть мати на увазі зовсім різні речі. Е, по-перше, можна мати на увазі зменшення радіусу електронної оболонки. Тобто на те, що частинка, яка обертається навколо ядра, перебуває до нього ближче. Можна мати на увазі взагалі перебудову всієї квантової системи так, що середня відстань між ядром і зарядженими частинками стає меншими, навіть якщо ядро те ж саме. Ну і нарешті зовсім екзотичний варіант, коли фактично ми створюємо інший тип атома, замінюючи електрон на якусь іншу частинку. І тим самим ми отримуємо об'єкт з іншим масштабом. І от саме ці значення слова зменшення ми і будемо поступово розбирати в цій лекції. Е, і щоб знайти, зрозуміти, яке з них має фізичний сенс, а яке є лише неправильним нашим розумінням образів, нам доведеться зробити крок назад і подивитися, як взагалі виникла ідея атома. Так що ми почнемо з історії, від перших філософських уявлень про якісь там неподільні частинки речовини і до того моменту, коли атом став реальним фізичним об'єктом. Ее багато з того, що я зараз коротко нагадаю, вже звучало в моїх інших лекціях на цьому каналі і про історичний розвиток наукової думки, і про будову матерії, і про квантовий світ. Тому це радше буде нагадування, ніж детальний розбір. Нам важливо не просто знати факти, а розуміти, як змінювалось уявлення про атом, бо разом з цим змінювалося і саме питання: чи має взагалі атом розмір і від чого цей розмір залежить? Як завжди, все починається з Давньої Греції. Ще в Vму столітті до нашої ери грецький філософ, мислитель, демокріт запропонував ідею, що все навколо нас складається з якихось таких неподільних частинок атомів. Атомос неподільний. Це була не фізична теорія в сучасному сенсі. Е-е це була філософська думка, це філософська схема. Атоми демокріта не мали жодного експериментального підтвердження. Вони не мали вимірювальних характеристик. Вони просто, вони мислилися як якісь такі матеріальні найменші кульки. Геометрична концепція, що існують найменші частинки, які відрізняються своєю формою, положенням і все. І в такому підході взагалі поняття розміру атома не має фізичного сенсу. Не можна було поставити питання, наскільки він великий, чи можна його зменшити, бо атом - це просто логічна межа поділу матерії. Минула більше 2 000 років, перш ніж атом повернувся в науку як вже справжнє фізичне поняття. Це сталося на початку X століття з роботами відомого англійського фізика Джона Дальтона, який займався і фізикою, і хімією, і навіть особливістю зора. І саме на його честь, до речі, назвали той самий дальтонізм, тобто неможливість розподіляти певні кольори. Так от, на початку X століття він формулює атомну теорію хімії. Він каже, що кожен елемент складається з певних атомів. Атоми одного елемента мають однакову масу, а будь-які хімічні реакції - це лише певна перестановка атомів у новій комбінації. Е, у Дальтона атом - це одиниця маси. І саме з цього моменту атом можна вже безпосередньо вимірювати. Ну, поки що в хімічних реакціях. Але структура атома ще невідома. Атом тоді ще мислиться як певна така суцільна кулька. Вона неподільна, вона без внутрішніх частин, а його розмір - це досить таки умовна величина, яка вводиться, ну, просто для зручності певної моделі. Пройшло ще 100 років і наприкінці вже X, на початку X століття було відкрито субатомні частинки, тобто частинки менші, ніж атом. У 1897 році відомий британський фізик Томпсон відкриває першу субатомну частинку Електрон. Це означає, що атом не є неподіленим. Це означає, що атом має складні певні частини. Для того, щоб пояснити, як ці електрони в атомі розташовані, Томпсон пропонує першу фізичну модель атома. Це знаменита модель plмпаing. Ну, іноді її перекладають як сливовипудинг, іноді пиріг з родзинками по-різному. У цій моделі атом - це щось схоже на таку велику заряджену кулю, масу, позитивно заряджену. Це такий великий пудинг. І всередині цього пудинга, як маленькі там родзинки чи сливи, знаходяться невеличкі негативні електрони. І тепер атом вже не просто куля, а система з певних компонент. Ну, звичайно, що ця модель виявилася невірною. Я завжди студентам під час лекції наголошую, що не треба плутати наукова теорія і вірна теорія. Наукова теорія цілком може бути невірною. Це чудово, це нормально. Це якраз і означає, що в нас іде процес наукового пошуку. Ми висуваємо різні гіпотези. Частина з цих гіпотез виявляється хибними, частина вірними. Це чудово. Гіпотеза Томсна виявилася хібною, але це був шлях до вірних гіпотез. Через приблизно 10 років після Томпсона, на початку X століття під керівництвом новозеландського фізика Ернеста Терезарфорда проводиться знаменитий експеримент з розсіювання альфа-частинок на Золотій Фользі. Е, що його команда зробила? Вони взяли надзвичайно тонку золоту фольгу. Це була, ну, буквально кілька шарів атомів золота. І вони почали обстрілювати цю золоту фольгу альфа-частинками. Це маленькі, але дуже важкі в масштабах мікросвіту такі кульки ядра гелію, які складаються, оце було потім відкрито, звичайно, що з двох протонів, двох нейтронів, вони дуже стабільні і вони рухаються майже завжди як єдине тіле. От ви можете побачити якраз схему цього досліду. В нас є джерело альфа-частинок. Вони вилітають. У нас є золота фольга. дуже тонка. Вони вдаряються в цю золоту фольгу. І за цією золотою фольгою у нас є певний екран. Тобто ми можемо дивитися, куди саме потрапить певна альфа-частинка після того, як вона провзаємодіє з цією золотою фольгою. Ну, експеримент насправді дуже простий. Зараз його можна повторити в будь-якій нормальній лабораторії. В свій час, звичайно, що він був досить революційним. Е, чому він був революційним? Чому це була досить смілива постановка взагалі цієї проблеми? От уявіть собі, що ви берете таку дуже тоненьку паперову серветку і ви стріляєте в цю тоненьку паперову серветку з там, не знаю, з джевеліна. Зрозуміло, що ви очікуєте, що цей джевелін, просто снаряд проб'є цю серветку наскрізь, навіть ніяк не помітивши перешкоди. Саме так воно мало статися, якщо була вірна модель Томпсона парим париг Томпсона. Тобто м'яка м'яка така маса атома, вона не б змогла б ніяк зупинити важку альфа-частинку. І дійсно, переважна більшість альфа-частинок пролітала крізь цю золоту фольгу, ніби там взагалі нічого немає. Але і це дуже головне, але приблизно одна з 8 000 частинок відбивалася назад просто вбік гармати. Це означало, що атом дійсно майже повністю всередині порожній, але в самому центрі цього атома у нас знаходиться дуже крихітне, неймовірно щільне, неймовірне тверде, позитивно заряджене ядро. Ну, це якби там, не знаю, в центрі величезного порожнього стадіону ми поклали маленьку металеву кульку і ми кулею влучили саме в цю кульку. ймовірність мала, але якщо цих культо, частина з них саме в цю кульку влучить, і ми побачимо це відбиття. І от саме з цього моменту з'явилася можливість серйозно говорити про розмір атома. Якщо атом складається з маленького щільного ядра і електронів, що кружляють десь далеко навколо нього, то виникає цілком зрозуміле питання: на якій саме відстані електрони перебувають і від чого це залежить? Що взагалі утримує електрони на цій дистанції? Якщо атом всередині майже порожній, то цілком логічно можна припустити, що ми його можемо стиснути, ми зможемо зменшити цей вільний простір або ні. Ее ця картина, звичайно, що була лише проміжним кроком і в рамках картини Резерфорда на це питання неможливо було дати відповідь. Вона поставила правильні питання, але вона не дала на них відповідей. Це була класична фізика. Вона була не здатна пояснити, чому взагалі електрони рухаються на певній відстані, чому вони не падають на ядро, чому атом стабільний, чому він має саме такий розмір, а не інший. І тільки після появи квантової механіки у 1920х роках з'явилася можливість на ці питання вже з наукової точки зору відповідати. Але перший крок зробила ще не квантова механіка. Перший крок зробив у 1913 році відомий данський фізик Нільс Борн, коли він запропонував першу майже квантову, але не зовсім, модель атома. Це був такий собі гібрид. Він взяв звичайну класичну механіку і він змішав її з досить незвичними на той час квантовими пропущеннями. Ну, звичайно, що ця модель навіть тоді не була ідеальна, але хоча вона навіть тоді не була ідеальна, хоча вона невірна, вона і зараз є в шкільній програмі. Ну, хто по ній, звичайно, що нормально займається, вивчає, про це знає. Її розповідають навіть на досить простих курсах атомної фізики в університетах. Модель дуже спрощена, вона надзвичайно неточна, але вона має величезну перевагу. Вона проста. І для простих атомів, а саме для атомів водню, вона дає досить точні результати. Так що модель Бора при всій своїй недосконалості з нами залишається. І от вона саме дала нам першу, ну, так би мовити, лінійку, якою можна вимірювати мікросвіт. Е, у цій моделі з'являється те, що ми називаємо радіусом бора. Ну, це, мабуть, одна з найбільш простих взагалі формул атомної фізики. Я її виводжу на третій лекції першокурсників. На першій лекції ми знайомимося з основами квантової оптики, з законами квантової оптики. На другій лекції ми розглядаємо фотоефект, ефект комп дію на фотогравітаційного поля, а на третій я безпосередньо виводжу формулу для розміру атома з теорії бора з постулатів пора. От ця формула, будь ласка, ви можете на неї подивитися. Для тих, хто знає фізику, в цій формулі все зовсім просто. Ну, навіть для тих, хто не знає, тут немає нічого складного. Математично ми її не будемо детально розбирати. Я лише просто перелічу, що в цій формулі є. Тут є - це маса електрона. Тут є електричний заряд. Тут є h - це стала планка. Тут є е нуль - це діелектрична проникність вакуума. Тут є число π. Ну і тут є n. N - це так зване головне квантове число. Це просто число. воно набуває значень 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 і так до нескінченності. І що важливо, можна побачити, що в цій формулі розмір атома - це вже не просто якась така умовна величина, а це цілком фізична величина. І можна досить наближено сказати, що саме ця формула і задає нам наскільки атоми великі чи маленькі. Тобто розмір атома виникає як певний результат взаємодії електромагнітної і квантових законів мікросліту. Це якраз і означає, що розмір атома не можна змінювати до фільма. Він не є просто геометрією. Він випливає з фундаментальних констант і властивостей частинок. Все, що в цій формулі є - це фундаментальні стали нашого світу. Вони незмінні. Вони зафіксовані один раз при його створенні і будуть такими, мабуть, назавжди. Так що, на жаль, як в фільмі "Людина-мураха", ніяка частинки піми нам не допоможуть. Щоб зробити атом меншим, нам довелося б або змінити масу електрона, або його заряд, або взагалі переписати константи нашого всесвіту, константи квантової механіки. Так що для того, щоб зменшити людину мураху, нам нам фактично потрібен інший всесвіт. Нам потрібно зробити інший всесвіт з новими квантовими законами, але при цьому збільшувати розмір атомів можна. І тут вже насправді абсолютно ніяких обмежень немає. Що ви бачите знов таки в цій формулі? N². Е, у цій моделі бора розмір атома зростає прямо пропорційно квадрату квантового числа. Тобто, якщо ми переводимо електрон з першої орбіти на другу, атом стає в чотири рази більше, на третю в дев'ять разів більше. Наскільки я знаю, зараз вже досягнуті значення n до тисячі. І такий атом у мільйони разів більший, ніж звичайний. Вони мають навіть назву спеціальну рідбергівські атоми. От ви бачите для прикладу статтю Engineering Atomic Reedberg states with pulsed electric fields. Це створення оцих величезних рідбергівських атомів. І просто, щоб ви розуміли масштаб, звичайний атом водню має розмір приблизно 0,05 наном півнкстрема. Рідбергівський атом може роздуватися до декількох мікрометрів. Це вже це вже розмір бактерій. Тобто один єдиний атом стає настільки великим, що його, в принципі, можна було бачити просто оком в звичайний мікроскоп. Ну, якщо б, звичайно, що це була дійсно якась кулька, яку можемо роздивлятися. Так що коли ми бачимо у фільмах, що героїв не зменшують, а збільшують, тут трохи більше науковості, але як завжди є нюанс. Такий атом неймовірно кракий. достатньо будь-якого електричного поля, достатньо будь-якого випадкового зікнення і все, електрон відлітає, система руйнується. Тому це дуже-дуже нестабільна система. І побачити його в мікроскоп, як я казав раніше, звичайно, що неможливо. І питання збільшення атомів є в першу чергу питанням про їх стабільність. А от зі зменшенням все не так вже і просто. Якщо подивитися знов таки на цю формулу, то видно, що в моделі Бора існує мінімальний розмір атома. Це мінімальна орбіта. Це мінімальна межа, нижче якої електронтися просто не може. Коли n = 1, все, далі не можна куди йти. Не буває цілих чисел менше за одиницю. Ну добре, але я вже казав, модель Бора недосконала. Можливо проблема саме в моделі Бора. Можливо, квантова механіка нам підкаже щось цікавіше. Підкаже, але, на жаль, не врятує. Модель Бора була лише першим кроком. Вона дійсно уявляла електрон певну частинку, що рухається десь по орбіті. Ее, справжній прорив стався тоді, коли з'явилася повноцінна квантова теорія. Я про неї багато вже казав в лекції про квантовий світ. Це і Луїда Бройль, це і Ервін Шртінгер, це і Вернер Гейсенберг, і багато-багато інших фізиків, які в 20-30 роки XX століття розробили ці концепції. І от в квантовій механіки електроню кулькою. Електрон - це є об'єктом, квантовим об'єктом, який описується хвильовою функцією. А атом, відповідно, це не система частинок та орбітах, як сонячна система, а це розподіл ймовірності у просторі. Ми не можемо сказати, де електрон знаходиться в кожний конкретний момент. Ми можемо лише сказати, з якою ймовірністю він буде тут, чи тут, чи тут, чи в іншій певній області. Тому і питання розміру атома змінюється. Розмір атома - це не радіус орбіти. Розмір атома - це область простору, де ймовірність знайти електрон. Іншими словами, атом - це не кулька, це хмара ймовірності. Причому, наскільки саме велика ця хмара, це поняття досить умовне. От що я кажу: ймовірність велика. А що означає ймовірність велика? Формально електрон в кожному атомі може бути будь-де. Ну хоч хоч на Марсі, без проблем. Але фактично ми ж ніколи не кажемо, що атом може бути розміром там, не знаю, за орбіту Марса. Справа в тому, що хвильова функція, яка описує саме де може бути цей електрон, дійсно ніколи не стає нульовою, але вона дуже швидко спадає, коли ми віддаляємося від ядра. Імовірність найти електронно не нульова ніде, але вона настільки мала, що фізично це ні на які властивості атома не впливає. Саме тому розмір атома в квантовій механіці визначається статистично. Ну, просто обираємо ми певну область простору, де зосереджена основна частина електронної густини, основна ймовірність знаходження електрона. Це можна зробити кількома різними способами. Ну, можна просто домовитися. От просто сказати: "Давайте будемо вважати, що розмір атома - це така область, всередині якої електрон перебуває з ймовірністю, ну, 90%, 95%, що захочете". Якщо ми кажемо про хімію, там взагалі користуються іншим визначенням. Вони кажуть, що розмір атома, радіус атома - це половина відстані між атомами двох однакових елементів в певній молекулі. Тому питання про точний розмір атома взагалі немає сенсу, бо він немає межі. Це домовленість. Межа атома - це не якась там, не знаю, стіна. Це просто зона, за межами якої ймовірність знаходження електрона, електронна густина стає настільки малою, що нею можна знехтувати. Ну, це можна порівняти певним чином з атмосферою Землі. Формально атмосфера Землі тягнеться там на 1000 км вгору. І навіть на такій висоті, на 1000 км можна знайти окремі молекули казум. Але ми все одно кажемо про певну висоту атмосфери, тому що далі, звичайно, що певні молекули є, але густина їх практично нульова для всіх прикладних задач. І тому, коли ми кажемо про розмір атома, то це не межа якогось об'єкта, яка зафіксована. Це масштаб локалізації хвильової функції. І коли ми кажемо про зменшення атома, ми фактично кажемо про зміну цього масштабу. Ми хочемо, щоб електронтично знаходився ближче до ядра, ніж він це робить зазвичай. Ну, нібито задача виглядає простіше. Якщо в нас немає межі, просто ймовірність. Ну давайте подумаємо, як з цією ймовірністю бути. Давайте стиснемо. І задача виглядає простішою, але ні. Е, у 20-х роках XX століття на сцену квантової фізики виходить відомий німецький фізик Вернар Гейсенберг, який формулює так званий принцип невизначеності. Якщо знов таки на пальцях його там сформулювати, це звучить приблизно так. Ви не можете одночасно затиснути частинку в певній області і змусити її завмерти. Ну, я не знаю, який такий образ навести, щоб було зрозуміло не фахівцю. Ну, давайте уявімо собі, що в нас є дуже зла, я б, не знаю, муха. І ця муха знаходиться в якійсь маленькій коробці. І чим меншою стає ця коробка, тим сильніше ця зла муха б'ється об стінки цієї коробки. І от саме це виглядає і в квантовому світі. Коли ми намагаємося притиснути електрон ближче до ядра, ми фактично обмежуємо його координату. Ми кажемо всесвіту: "Всесвіт, я точно знаю, де знаходиться цей електрон. Він біля ядра". А всесвіт відповідає: "Чудово, але тоді його швидкість може бути як завгодно велика. Чим сильніше ми намагаємося стиснути оцю електронну хмару, хмару ймовірності, тим вищою стає швидкість і енергія електрона. Виникає так званий квантовий тиск. Це це не механічний тиск. Це не та муха, яка б'ється о стінки коробки. Це фундаментальний опір самої природи. Це тиск, який створюється квантовими законами. Фактично електрон просто виштовхується цими законами назад. І, на жаль, ніякі магічні частинки Піма з наукової фантастики не можуть переконати всесвіт змінити свої закони. Так що можна сказати, що атом свій розмір має не тому, що він там, не знаю, такої форми, а тому, що квантова механіка стабілізує його на певному масштабі. І геометрія, розмір атома - це баланс між електромагнітним притяганням, бо електрон негативний, ядро позитивне, вони тягнуться один до одного і квантовим тиском, який виникає через принцип невизначеності, яких не дає електрон наблизитися занадто сильно до ядра. І начебто все, начебто ситуація безнадійна. Якщо розмір атома визначається фундаментальними законами світобудови, якщо квантова механіка буквально не дозволяє атом бути ближчим до ядра, то здається, що задача розміру атома не має сенсу. Ми не можемо його зменшувати. Але ні, у науці дуже часто те, що виглядає на перший погляд неможливим, стає можливим, якщо ми трохи змінимо саме формулювання нашої задачі. І виявляється, що дійсно атоми можна зробити меншими. Просто це робиться не таким способом, який спадає на думку. Не просто в стискаючи, по-іншому. І от давайте якраз спробуємо цей спосіб знайти і спробуємо цей спосіб описати. Е, але перед тим давайте взагалі розглянемо, від чого залежить розмір атома. Є кілька факторів, які, ну, на перший погляд, виглядають очевидними, але при детальному розгляді виявляються, ну, трохи складнішими. Перший фактор: електроннеться до ядра кулонівськими силами. В нас є ядро, і це ядро має зарядове число, тобто кількість протонів в ядрі. Здавалося б, ну, все просто. Чим більший заряд ядра, чим більше в ядрі протонів, тим сильніше вона притягує до себе електрон. електрон тягнеться до нього і розмір має бути меншим. І в певному сенсі це дійсно так, але лише частково. У середині X століття відомий хімік Дмитро Іванович Менділеєв сформулював свій періодичний закон, свою періодичну таблицю. Він тоді ще не знав ані про електрони, ані про квантову механіку, але він вже тоді бачив певні закономірності елементів. Пізніше, у 10-х роках X століття англійський фізик Генрі Мослі показав, що дійсним параметром, який визначає всі властивості атома, є заряд його ядра Z. І періодична система - це, насправді, система зростання атомного заряду. Якщо подивитися на таблицю елементів з цієї точки зору, то ми чітко можемо побачити характерні особливості розмірів атомів. Якщо ми рухаємося по періоду справа наліво, то заряд ядра зменшується. Отже, притягання стає слабшим, а атоми стають більшими. Саме тому, наприклад, ну, атом натрія значно більший за атом хлора. Ну, десь так в два рази, хоча вони стоять в одному періоді поруч. Якщо ж ми рухаємося зверху вниз по певній групі, то ситуація складніша. З однієї сторони заряд ядра дійсно зростає: маленький, більший, більший, більший, більший, але водночас додаються нові електронні оболоки. Зовнішні електрони знаходяться все далі від ядра і з'являється ефект екранування. Тому при русі в цьому напрямку атоми зазвичай збільшуються. Саме тому, наприклад, атом Цезія, який знизу, значно більше. Він гігантський у порівнянні з атомом літія, який зверху. Саме через ці особливості францій, а це нижній лівий кут періодичної системи, це атом з найбільшим розміром, з найбільшим радіусом, а гелій - це верхній правий кут. Це атом з найменшим розміром і найменшим радіусом. Ну, е, якщо я не помиляюсь, то різниця десь в 10 разів. Е, якщо я кажу про атом Франція, це, здається, 350 пікометрів. Якщо атом Гелія - це, здається, 30 піком. Ну, порядок приблизно такий. Якщо казати про об'єм, то об'єм - це пропорційний кубу, тобто це буде 1000тися разів різниці. Отже, перший висновок. Розмір атома дійсно визначається балансом між рядом ядра і структурою електронних оболонок. Це не просто там чим більше протонів, тим менше атом. Ні. Але це нам не допоможе. Ми ж хочемо зменшити конкретні атоми, а не хочемо замінити один атом на інший. Звичайно, якщо ми візьмемо Францій, замінимо його на гелій, атоми стануть менші, але це будуть абсолютно інші атоми. Так що, на жаль, це не працює. Існує другий фактор, про який часто забувають і який часто недооцінюють. Це ефекти реальвістської теорії, ефекти теорії відносності. Вони досить сильно проявляються у важких атомах. Коли заряд ядра дуже великий, електрони, які біля нього, рухаються з величезними швидкостями. Вони близькі до швидкості світла. І в цей момент звичайної квантової механіки нам вже недостатньо. Доводиться, крім квантових законів, враховувати закони спеціальної теорії відносності, враховувати уповільнення часу, зміну розмірів тощо. І оці реалівістські закони призводять до того, що внутрішні оболонки, вони стискаються ближче до ядра. Причому це пояснює досить багато відомих там ефектів. Наприклад, це пояснює характерний жовтий колір золота. От електричні рівні золота, вони перебудовані так, вони зміщені, так що воно поглинає синю частину спектру і золото жовте саме через те, що простір і час відносні. Ну окей. Е через те, наприклад, ртуть теж себе веде при кімнатній температурі як певна рідина. І ртутні термометри через це працюють знов таки через ефекти релятивізму. Ну, чудово. Але і це нам насправді нічого не дає. Ми не можемо прискорити електрони. Ми не можемо змусити їх рухатися швидше, ніж вони рухаються. Вони рухаються так, щоб бути в балансі. Так що, на жаль, і ця ідея гарна, але вона не працює. Але є третій фактор. І саме цей третій фактор є найважливішим для нашої теми. Це маса частинки, яка рухається навколо ядра. У формулі бора, у формулі радіуса бора маса стоїть у знаменнику знизу. Це означає, що чим більш важка частинка, яка рухається навколо цього ядра, тим ближче вона до ядра і тим менше атом. У звичайному атомі цією частинкою є електрон. Маса електрона фіксована. Це константа. Це фундаментальна константа нашого всесвіту. Але формула не вимагає, щоб це був електрон. Вона лише каже: "Радіус обернено пропорційній масі. Якби навколо ядра обертався не електрон, а інша частинка, яка важче за електрон, атом автоматично ставав би значно меншим. І це насправді і є ключем до реального, до фізичного, а не до фантастичного зменшень атомів. Це чудово. Я обов'язково розкажу, що станеться, якщо ми спробуємо замінити саму частинку, яка утворює атом. Але перед тим давайте спробуємо зрозуміти, чому звичайне от механічне стискання нам ніяк не може допомогти. Чому там треба йти настільки радикальним шляхом і змінювати саму частинку? От що буде, якщо ми просто спробуємо атом стиснути механічно? От зробити його меншим? Так само, як я не знаю, ми стискаємо якусь пружину чи там газ в певному балоні. Є проблема. Е, і ця проблема у тому, що атом взагалі не є механічним об'єктом в звичайному сенсі. У нього немає просто поверхні, яку можна стискати. У нього немає оболонки. Не можна щось зменшувати силою. Електрон, як я вже казав, це не кулька, це не частинка з якимись там чіткими межами. Це хвильова функція, це розподіл ймовірності у просторі. І коли ми кажемо, що атом має певний радіус, розмір, ми маємо на увазі лише те, що у нас є область, де електроню імовірністю може бути знайдений. У нас немає ніякої стінки, яку можна там притиснути кудись ближче до ятра. Тому механічне тискання не означає зміну геометрії атома. Воно означає зміну квантового стану електрона. А це відразу переводить нас на мову енергії. Якщо ми намагаємося з силою притиснути електрон ближче до ядра, ми фактично зменшуємо область, в якій локалізована хвильова функція електрона. Але з принципу невизначеності випливає, що чим сильніше ми стискаємо цю хвильову функцію, тим більшою стає невизначеність імпульсу, а отже, зростає кінетична енергія електрона. Система відповідає на наш стиск підвищенням своєї енергії. Атом не просто стає меншим, атом переходить в інший квантовий стан. Е, якщо енергії небагато, то електрон збуджується. Він переходить з нижчого рівня кудись на верхніх. І навпаки ми намагаємося стискати, а він стає більшим. Він змінює форму своєї хвильової функції. Якщо енергії ще більше, він взагалі може відірватися від атома. Це називається іонізація. Ми фактично отримуємо не атом, а вже йон. Тобто спроба механічного стискання атома закінчується тим, що ми просто руйнуємо цей атом. Ми руйнуємо його електронну оболонку. Якщо ми кажемо про звичайні умови, то це чудово видно у плазмі. Якщо достатньо сильно нагріти або стиснути певний газ, то атоми в цьому газі перестають існувати взагалі як атоми. Електрони відриваються, у нас утворюється там суміш ядр і вільних електронів. Це якраз і є той стан матерії, який заповнює зорі, бо в зорях, як відомо, ніяких атомів немає. Це сутільна плазма. Його описали ще астрофізики на початку XX століття. Так що, на жаль, стиск великий призводить до просто руйнації атомів. Якщо ми ще більше стискаємо, якщо тиск стає просто колосальним, це вже біли карлики, електрони не просто відриваються від атомів, вони утворюють так званих вироджений електронний газ. А якщо тиск стає ще сильнішим, то там взагалі відбувається процес, як в нейтронних зорях. Це електронне захоплення. Тобто електрони буквально втискаються в протони і в результаті ядерних реакцій вони перетворюють протони на нейтрони. І тут взагалі казати про якусь структуру речовини в звичному сенсі немає якогось сенсу. В нас просто залишається надзвичайно щільна нейтронна матерія і все. Там немає атомів, немає протонів, немає електронів, тільки нейтрони. Тому механічне стискання не веде до того, що атом стає меншим. Воно веде до того, що ми втрачаємо взагалі атом. Якщо тиснути трохи, атом збуджується, сильніше іонізується, ще сильніше перетворюється на плазму. Якщо довести це до астрофізичних величин, атомна структура взагалі руйнується, зникаються електрони, зникають протони, утворюється нейтронна речовина. Так що, на жаль, фізичне стискання не є ключем до нашої мети, не є ключем, який дозволяє створити маленькі атоми. На жаль. Так що залишається лише повертатися до маси. Якщо ми не можемо змінити атом силою, треба змінити не нашу силу, а треба змінити нашу систему. Нам треба не намагатися якось притиснути електрон до ядра, а треба поставити питання по-іншому. Що буде, якщо біля ядра буде обертатися зовсім інша частинка, не електрон, щось інше. І для того, щоб це з'ясувати, ми перейдемо з атомної фізики у фізику елементарних частинок. Е-е, якщо ви вже дивилися лекції на моєму каналі, ви можете пам'ятати, що в мене є досить детальна, досить цікава лекція про фізику елементарних частинок, де я якраз і пояснюю, які вони бувагають, які частинки включає сучасну стандартна модель, як вони взаємодіють і взагалі, що є таке сучасна картина мікросвіту. Тому, знов таки, це буде радше нагадування в контексті саме нашої сьогоднішньої теми. Е-е, якщо ми кажемо про сучасну теорію фундаментальних частинок, [сміх] то, як я вже казав, вона називається стандартна модель. Це квантова теорія поля. Вона описує всі, ее, елементарні частинки, які ми зараз знаємо. Вона описує три з чотирьох фундаментальних взаємодій, крім гравітаційної. І оточна форма склалася в другій половині XX століття завдяки роботам багатьох фізиків, серед яких і Стівен Вейбер, Кабдуслам, багато-багато інших. І, е, в тій стандартній моделі всі частинки нашого всесвіту можна поділити на кілька груп. Ну, по-перше, їх можна поділити на дві великі групи. Перша - це ферміони. Ну, якщо дуже умовно казати, то це частинки матерії. Друга - це бозони, умовно кажучи, чи це переносники певних взаємодій електромагнітної, слабкої і сильної. Векторні ZW базони, фотони і клівоти. Я кажу умовно, бо насправді різниця у спіні. Базони так само можуть створювати матерію, але це в аспекті нашої лекції не так вже важливо. Хто хоче, перегляньте. Це оглядова лекція. Вона в першу чергу для моїх студентів, але вона досить детально, всі елементарні частинки, які зараз відкриті, які нам відомі, вона їх досить детально класифікує. Якщо ми кажемо про ферміони, про частинки матерії, то вони поділяються на кварки і лептони. Кварки - це те, що утворює протони і нейтрони. Знов таки, це не тема нашої сьогоднішньої лекції, а лептони - це окрема така родина, сімейство частинок, які не беруть участь в сильній взаємодії. І от ці лептони саме для нас найважливіші. Що таке лептон? Лептон - це елементарна частинка, яка має напівцілий спін, яка не має внутрішньої структури і яка не відчуває сильної взаємодії. У стандартній моделі існує три покоління лептонів. В кожному поколінні у нас є частинка і відповідно до цієї частинки нейтрин. Чому три? Це величезна загадка нашого всесвіту. Наскільки я розумію, фізики і навіть зараз не наблизилися до її розгадки. Ну от просто наш світ такий. Просто всі частинки нашого всесвіту бувають першого, другого і третього покоління. В першому поколінні ми маємо електрон і електронне нейтрину. В другому міон і міонне нейтрино. В третьому тау і тауонне або тау нейтрино. Якщо ми кажемо про атомну фізику, то там важливі саме заряджені лептони: електрон, міон таон. І саме тут ключовий момент. Електрон - це лише один з представників цього сімейства. Це перше покоління. Крім нього існують Міон і Тауон. Вони мають той самий електричний заряд, той самий спін, ті самі квантові числа. Вони поводяться так само, як електрон, але є одна принципова відмінність. Вони значно важчі. Кожне наступне покоління частинок не кілька порядків більш важке, ніж минуле. Якщо казати більш конкретно, то Міон у 207 разів більш важких, ніж електрон, а Тао у 3470 разів. разів більш важкий. Чому саме такі цифри? Чому там 207 347? Знов таки відповіді немає. Просто вони такі, які є. Ніхто не знає, звідки беруться ці константи. Вони не виводяться. Вони можуть бути просто виміряні. І саме через це Міон і таон іноді називають важким і надважким аналогом електрона. Ну, це не зовсім строкий термін, але інтуїтивно він дуже точний. Це нібито той самий електрон, але з більшою масою. Історія відкриття цих частинок досить цікаве. Якщо ми кажемо про Мюн, то його відкрили у 1936 році американські фізики Карл Андерсон і Сед Недармейр. Е, вони досліджували космічні промені і спочатку вони навіть його прийняли за абсолютно іншу частинку, яка мала там переносити ядерну взаємодію, але вони швидко зрозуміли, що це щось інше. І існує відома фраза фізика Асідора Арабії: "Whoed that?" Хто це замовив? Вона дуже добре передає здивування спільноти. Ми нічого такого не очікували. Ми нічого такого не передбачали. Звідки воно взагалі взялося? Е, за легендою він сидів десь там в китайському, обідав ресторані і коли йому повідомили те, що те, що фізики знайшли, це абсолютно не те, що вони шукали, він сам і сказав цю відому фразу. Ну, байка чи це чи правда, не знаю, але таке воно і не дібває. Ми шукаємо щось одне, а знаходимо взагалі щось інше, що ми не очікували. Е-е, Тауон знайшли значно пізніше. Тау знайшли у 1975 році в лабораторії Слека. І ключову роль в цьому відіграв відомий фізик Мартін Луїс Перл, який за це у 95-му році отримав Нобелівську премію. І от знов таки існування Таона стало ще одним підтвердженням того, що наш всесвіт чомусь має таку дивну любов до повторення всіх структур, причому повторення тричі. перше, друге, третє повколня електрон, міон таон. Чому три? Бісь його знає. Просто так воно є. Отже, давайте підсумуємо. У нас є електрон. Цей електрон утворює звичай атоми. Але у нас є інші частинки, які поводяться майже так само, як електрон, які мають той самий заряд, які можуть взаємодіяти з ядром так само, як електрон, але їх принципова відмінність - це маса. Вони значно значно важчі. І якщо розмір атома в першу чергу залежить від маси частинки, що рухається навколо ядра, а існують частинки схожі на електрон, але значно важчі за нього, то чи не можемо ми використати цю цю схожість? Чи не можна побудувати атом, в якомусь замість електрона буде інша електронна частинка, отой самий міон. І тим самим, чи не можемо ми отримати атом меншого розміру? Можна. І саме так воно і робиться. І ми реально отримуємо атоми, розмір яких менший зазвичайні у відношення мас, тобто розмір яких менше, ніж звичні нам атоми у 207 разів. Вони так і називаються мюнні атоми. Е, тобто, що таке взагалі міонний атом? Е, міонний атом - це атом, ну, будь-якого хімічного елементу. Ну, давайте візьмемо водень. Звичайний, це найпростіший атом. протон і один електрон, в якому один або декілька електронів були замінені на мюни. Якщо ми повернемося до тієї самої відомої функції, формули для радіуса бора для розміра атома і замість маси електрона підставимо масу міона, ми одразу отримаємо, що розмір такого водню або іншого атому буде у 207 разів менший. Це означає фактично, що міонний атом має орбіту розміром не з атом, а майже з атомне ядро. Міон буквально там провалюється, стискається до ядра. Він проводить більшу частину свого життя на відстанях, де звичайно електрон майже ніколи не буває. Знов таки, це статистика, це ймовірність. І міон, і електрон може бути і близько, і далеко, але найбільша ймовірність локалізації міонів саме біля ядра. І це не фантастика. Міонні атоми існують, міонні атом ефективно досліджуються. Міонні атоми ефективно використовуються в науці. Ну, в техніці поки що, на жаль, ні, але в науці так. Як правило, їх отримують в певних прискорювачах частинок. У нас є там протонний пучок. Цей протонний пучок з величезною швидкістю б'ється у певну мішень. Ну, як правило, це графіт чи барилій чи щось таке. І у нас темо там великий бабах. І після цього бабаху у нас виникають піони. Ну, піони - це ще один тип елементарних частинок. Це це не квітка, це це пімезон. Це той самий пімезон, за який спочатку прийняли міон, але потім виявилося, що це зовсім інша частинка. І от ці піони, вони майже миттєво розпадаються на міони. Е, далі ці міони сповільнюють, тому що вони дуже швидкі. Їх запускають в певний газ або в певну тверду речовину. Е, цей міон негативний, він захоплюється певним ядром. І далі це якраз і утворюється міонний невеличкий атом. Е, такі експерименти робили багато. Робили їх в різних лабораторіях світу. Почали їх досліджувати ще в 1950 роки в Берклі, в Церні. Зараз такі установки є в Японії, вони є в Європі. Е, оці міонні атоми, вони використовуються як надчутливий елемент, як надчутливий метод для дослідження розміру протона. Ну, МОН настільки близько проходить до ядра, що він стає вже чутливим до внутрішньої структури цього ядра. Ее, наскільки я знаю, таким займаються в Швейцарії. У них є інструкт так званий Пауля Шерара, а там є SMS Swift Murce. Гарна установка. Хотів би я там теж побувати. Як я читав, саме вони у 2010 році таким чином виміряли радіус протона з точністю, яка ніколи не була досяжена жодним іншим способом. І так само там, здається, виникла якась така протонна загадка. Радіус виявився трохи меншим, ніж це очікувалося. Ну, це не так вже важливо в аспекті нашої сьогоднішньої лекції. В Японії є великий центр комплекс GPARK. Вони там дивляться на певні кристали, вони використовують для цього міони. Е, у Канаді, біля Ванкувера є система тріумф. Вони там досліджують, знов таки ядерні реакції, про які я розкажу трохи далі. Короше, це використовується. В реальному світі ми багато де зменшуємо атомим. Е, і коли я це все перелічую, то легко сприймати оці міонні атоми як якусь таку там лабораторну екзотику. Якісь маленькі, нестабільні, цікаві лише там для якоїсь наукової задачі. Але в середині XX століття фізика зрозуміла, що потенційно ці атоми можуть робити те, що звичайна матерія майже не здатна робити. У нас є велика проблема з енергетикою. Ми б хотіли запустити термоядерний синтез, використовувати майже необмежені запаси водню на землі, щоб створювати дешеву енергію. Але ми це не можемо зробити, тому що для цього потрібні надзвичайно високі температури. Так от, міони можуть нам дозволити запускати ці термоядерні реакції, але при кімнатних температурах прямо тут, без величезного навріву. Ця ідея називається Мюонний каталіс. Знов таки, вона виникла достатньо давно. Вона виникла ще у 1950-х роках. Її одночасно сформулювали, здається, досить відомий фізик, лауреат Новолівській премії миру адмі Андрій Дмитрович Сахаров. Не менш відомий фізик Яков Зельдович. Потім це сформулював і спостерігав відомий американський фізик Луїс Альварес. Це один з учасників манхетенського проекту Це майбутній нобелівський лауреат давно. Що вони помітили? Вони помітили, що якщо міон замінює електрон в атомі, радіус атома зменшується у 207 разів. Це означає, що два ядра, наприклад, дейтерій третій, можуть опинитися на дуже маленьких відстанях одна від одної. І вони опиняються на відстані, які значно менші, ніж звичайні хімії, майже на ядерних масштабах. Причому, коли атом знаходиться настільки близько, з'являється можливість квантового тунелювання. Я казав про це тунелювання в лекції про квантовий світ. Це можливість частинки перейти з однієї сторони стіни в іншу, не долаючи бар'єр, а просто перестрибнувши його. І от один атом, одне ядро може перестрибнути до іншого. воно може з ним вступити у взаємодію, утворити ядерну реакцію і ці два атоми водню перетворяться на гелій. При цьому виділиться величезна кількість енергії. Це фактично і є маленька термоядерна реакція, маленький термоядерний вибух. Тобто міон стає каталізатором такого реакції, каталізатором термоядерного синтезу. Міон стає тим, що дозволяє атомам зливатися навіть за кімнатної температури. Це було досліджено ще у 80-х роках. У середині 80-х років група американського фізика Стівена Джонса з інституту Бірмана Ямна в Юта США, вона показала експериментально, що дійсно Міон може запускати багато актів синтезу поспіль. Тобто, що відбувається? Ми утворюємо міон. Цей міон захоплюється певним атомом. Цей атом вступає у взаємодію з іншим атомом. Виділяється енергія, міон звільняється. Цей міон захоплюється іншим атомом, повторюється процес, міон знов звільняється. І так раз за разом. Фактично один міон здатен послідовно запустити ядерну реакцію водню у великій кількості молекул. Він їх стискає, він утворює реакцію, звільняються, цикл повторюється. Міон стає каталізатором таких реакцій. Процес називається міонний каталіс. Тобто фактично міон не просто робить атом меншим, він змінює фізику масштабу. Звичайна хімія, вона завжди працює на відстанях електронних оболонок. Міонна матерія працює майже на ядерних відстанях. Це означає, що процеси, які за звичайних умов потребують величезних термоядерних температур, температур Зояного ядра мільйонів градусів, можуть йти саме при кімнатних температурах. Ну, е, звичайно, що в наступні десятиліття експерименти проводилися у багатьох лабораторіях світу. у того самого канадського інституті тріумф в швейцарському інституті Пауля Шерера, про який я вже згадував, там детально вимірювали скільки разів один міон може каталізувати цю реакцію, які молекулярні стани утворюються, як швидко відбувається там перенесення енергії між міонами. Ну, начебто все добре, начебто це дуже перспективно, начебто ми створюємо міони і все, проблема, енергетика людства вирішена. Результати показали, що один міон може запустити там десятки, навіть сотні актів синтезу. Але як завжди є одне велике але. От якщо міон може каталізувати ядерний синтез при низьких температурах, чому це не означає, що ми отримали нескінченну енергію майбутнього? Чи означає відповідь тут і так, і ні. Е, чому так? Тому що це працює. Тому що це реальний принцип, який реально працює. Один міон дійсно може каталізувати, тобто активувати десятки, іноді навіть сотні актів синтезу. Він виступає як хвантовий каталізатор. Після реакції звільнюється, може запустати наступну тощо. Чому ні? Тому що міон дуже мало часу живе. Середній час життя міону приблизно 2 мікросекунди. Міон дуже нестабільний. Крім того, після кількох реакцій він там прилипає якось до ядра, він не може запускати нові реакції тощо. І головна проблема полягає не в тому, що цей принцип не працює, а в тому, що енергія, яка потрібна для того, щоб створити цей міон, набагато більша за енергію, яку він допомагає нам отримати. От якби ми якось навчилися виробляти ці міони не на великих, дорогих, високоенергетичних прискорювачах, ну тоді б проблема енергетики майбутнього була б, мабуть, вирішена. Тоді б ми мали термоядерний реактори в кожній кімнаті, але, на жаль, маємо те, що маємо. Так що можна сказати, що дійсно ми знаємо, як реально зменшувати атоми. Ми дійсно знаємо, як запускати оцей ядерний синтез при кімнатній температурі без зоряних температур. Ми знаємо, що природа це дозволяє, але ми поки що абсолютно не уявляємо, як зробити це економічно і чи взагалі це можливо. Ну добре, а міотом - це чудово. А чи може бути, що в нас щось більше утворено з міони атомів? Як буде взагалі виглядати речовина, якщо вона буде повністю міонна? Чи може існувати міонна матерія? Тобто ми не в одному атомі, а в цілі сукупності атомів замінили електрони на міоди. Ну, звичайно, що якщо ми зменшуємо окремий атом, то при цьому зменшується і вся речовина. При цьому всі молекули стають більш компактними. При цьому відстані між ядрами знов таки дуже сильно зменшуються. Густина знов таки дуже сильно зростає. Якщо ми кажемо, наприклад, [сміх] про тіла людини, то розмір людини, якщо б ми замінили всі електрони на міони, дійсно би зменшився у дві сотні разів. Якщо людина має зріст, наприклад, як я, 174 см, то вона б перетворилася б на та я такусь маленьку-маленьку істоту, менше 1 см. Але при цьому я б зберіг всю свою масу там 75 кг. Я б просто би став дуже маленьким і при цьому надзвичайно щільним. Так що коли десь там ви бачите в кіно, як персонажі зменшуються, як та сама людина мураха магічним чином зменшується без зміни структури матерії, ну, це неможливо фізично, це неможливо методом стискання, але це дійсно можливо, якщо ми будемо замінювати електрони на якісь важчі лептони, ну, на ті самі міони. Це дійсно зробить будь-яку речовину значно більш компактною. Тому з точки зору сучасної фізики, з точки зору сучасної квантової механіки ідея, оця фантастична ідея зменшення, вона не є абсурдом. Вона просто потребує іншого, знов таки, абсолютно іншого механізму, не такого, як це показано у фільмах. Якщо в нас не один атом, а вся речовина складається з ядер іміонів, то ми отримаємо середовище з колосальною густиною електронної оболонки. Це середовище з надзвичайно сильними між'ярними взаємодіями. Це середовище з абсолютно іншими хімічними властивостями. Вся хімія там була б просто надшвидкою. Всі молекули були б дуже-дуже компактні. Тверніла, які б були утворені з міоних атомів, вони б мали таку велику міцність, яку взагалі неможливо уявити в сучасній нормальній матерії. Але як завжди є невеличка проблема. Як я вже казав, міон - це нестабільна частинка. Міон може існувати приблизно 2 мікросекунди. Потім він розпадається. І коли ця стається, то от вся ця надшільна структура, вона миттєво розвалюється, вона миттєво перетворюється у звичайну матерію. Тобто міонна матерія зараз - це не якийсь там екзотичний будівельний матеріал майбутнього. Це дуже коротко живучий квантовий стан, який може бути створений, але який існує надзвичайно короткий проміжок часу. Але все одно зменшення речовини - це не фантастика, це не порушення законів фізики, це просто питання того, які частинки ми будемо використовувати для того, щоб будувати наші атоми. Ну, чудово. А міон, як я вже казав, це важкий електрон і він дає нам стискання у 207 разів. Цілком логічне запитання: а що буде, якщо взяти ще більш важкий аналог електрона, третє покоління та ООН? Чи можемо тоді ми зменшувати атоми не у 207, а у 3477 разів? Ну, формально виглядає, нібито ми можемо. От, якщо взяти ту саму формулу бора для орбіти, радіус мав би дійсно ще в 17 разів зменшитися у порівнянні від міонного атома. такий атом, він був би майже ядерним об'єктом. Тамна оболонка, вона б лежала настільки близько до ядра, що взаємодії були б абсолютно іншими. Ну, молекули перетворилися, я не знаю, на якісь такі структури, які взагалі нагадують ядерні зв'язки, не хімічні. Але знов таки є велике але. Якщо міон нестабільний, то таон нестабільний в квадраті. Він живе приблизно 3х10 в мі13 секунди. Це не просто мало. Це настільки мало, що він за цей час взагалі ледь встигає пролетіти там атомну відстань. Для порівняння, міон живе в мікросекунди і цього вже достатньо, щоб атом встиг сформуватися, вступити в реакції, в сотні реакцій. Саме тому міонні атоми реаліонні таон розпадається настільки швидко, що атом просто не встигає народитись. Навіть якщо якийсь сталон буде захоплений нашим ядром, процес, щоб це все стабілізувалося, процес формування стаціонарної квантової системи завжди потребує часу. Льова функція, вона має певним чином сповільнитися, стабілізуватися, але Тауон розпадається швидше, ніж цей процес встигає завершитись. У результаті замість таонного атома ми отримуємо короткий такий спалах частинок все. І нічого більше немає. Так що можна сказати, що мінімальний розмір атома визначається не тільки масою частинки, яку ми можемо використовувати, а і часом її життя. Природа дійсно нам дозволяє стискати атоми, але тільки на той час, поки існують оті частинки будівельники. І якщо ми кажемо про аналоги електрона, то міон фактично є єдиною частинкою, яка нам дійсно дає реальний виграш масштабу і при цьому живе достатньо довго, щоб це можна було зафіксувати і десь використати. Так що, на жаль, наш практичний ліміт сьогодні - це стискання у 207 разів. Не більше і не менше. Це не те через те, що там фізика якось забороняє, а просто через те, що всесвіт не дав нам більш стабільних, важких лептонів. Їх просто немає. Три покоління. Все. Ее насправді взагалі питання можна було б поставити по-іншому. Можна було б взагалі замислитися, можливо межа не в електронах, не в лептонах, можливо в самому ядрі. Можливо нам треба зменшувати вже самі ядра атомів, а не їх оболонки. Може тоді це призведе до малого атома. Ну не призведе, на жаль. Дійсно, радіус атома не може бути менший за радіус ядра, бо атом - це система з ядра і частинок, що навколо нього обертаються. І в цьому місці ми впираємося в особливості вже ядерної взаємотії. Ядро знов таки не є твердою кулькою. Його розмір визначається знов таки балансом різних взаємодій. З однієї сторони у нас є ядерна сильна взаємодія. Вона стискає між собою протони, нейтрони. Це дуже потужна сила, але вона дуже коротко діюча. Вона діє лише на відстанях порядку одного фемптометра. Це приблизно 10 в мі15 м. Вона діє тільки в ядрі. За межами вона майже не діє. З іншої сторони, знов таки у нас є квантова природа частинок. У нас є принцип невизначеності. У нас є принцип паулі, який забороняє двом ферміонам бути в одному місці. Нуклони просто не можуть оці протони і нейтрони впасти один одного. Хвильові функції їм не дозвольняють це зробити. Крім того, додається ще й електростатичне відштовхування. Протони заряджені позитивно і цей плюс відштовхується від іншого плюса. Тобто у нас є знов таки баланс між купою різних взаємодій. І як результат цієї взаємодії у нас отримається саме той характерний розмір ядра. Він не може бути ані більшим, ані меншим. Причому оці самі протони і нейтрони теж не є елементарними. Вони складаються, як нам відомо зараз, з кварків. Це елементарні частинки, які зв'язані між собою углеонами. Це up, up, down, down, down, up, кварк, верхні, верхній, нижній, нижній, нижній, верхній. Вони утворюють протони, ненейтрони. І тут з'являється ще один більш глибокий рівень структури. Всередині протона, нейтрона, кварки. Це не якісь кульки. Це квантова система, де енергія зв'язку значно більша, ніж масса сама частинка. Я казав в лекції про масу, що ми лише на 1% складаємося з маси кварків, з маси елементарних частинок. А 99% нашої маси - це енергія їх взаємодії. І тому фактично розмір оцього протона, він визначається цією сильною взаємодією. Я не буду казати зараз про всякі там конфайменти, то що важливо сказати, що атомне ядро теж не можна стискати безмежно. Якщо щільність стає занадто висока, фактично всі ці нуклони починають розчинятися один в одному. Ми переходимо в стан, який називається кваркгліонна плазма, кваргліонна матерія. В цьому режимі у нас кварки оці вже не прив'язані до окремих протонів нейтронів. Вони утворюють спільне середовище. Це стан, який існував колись на початку нашого всесвіту після Великого вибуху. Це стан, який зараз на дуже короткий проміжок часу вдається вченим отримати в лабораторії, але це вже не атом, це вже не ядро, це щось абсолютно принципове інше. Так що коли ми кажемо про атом, то поняття атома в такому середовищі взагалі втрачає будь-який сенс. На жаль. Так що можна сказати, що природа дозволяє нам стискати речовину лише до певної межі, а далі просто об'єкт перестає бути тим, чим він був. Стискаючи атом, ми отримуємо не менший атом. Ми отримуємо зовсім інший стан матерії. Ми отримуємо не менш ядро, ми отримуємо іншу фазу, інший стан ядерної речовини. А що взагалі буде далі, це взагалі невідомо. Тобто це якась межа існування матерії. Так що, на жаль, зупиняємося на цифрі 207, бо далі починаються зовсім-зовсім інші фізичні процеси. І це означає, що питання, наскільки сильно можна стискати атом, насправді перетворюється на зовсім інше питання. Коли атом взагалі перестає бути атомом? Ну добре, давайте тепер якось підводити певні підсумки, робити певні висновки з нашої лекції. Отже, що ми сьогодні дізналися, що ми сьогодні почули? По-перше, атом у класичному сенсі не має такого поняття, як розмір. Атом - це не маленька кулька. Ми не можемо цю кульку якось стиснути. Атом - це квантова система. Це хвильова функція електрона, яка формує область ймовірності, де цей електрон перебуває. Те, що ми називаємо розміром, це лише характеристика зони цієї ймовірності. Це зона, де електрон знаходиться з великим шансом. По-друге, масштаб цієї зони, масштаб атома визначається масою частинок, що обертається навколо ядра. Всі інші фундаментальні стани, заряд електрона, стала планка, швидкість світла, константа колонівського протягання тощо, вони фіксовані. І саме маса оцього електрона, маса цього лептона, вона ключова. Лише збільшуючи цю масу, ми можемо зменшити орбіти. Це єдиний реально існуючий метод зменшити атом. По-третє, реальний механізм зменшення атомів існує і він реально працює. Ми дійсно можемо зменшувати атоми. Якщо ми заміняємо електрони на їх важкі аналоги на аміони і ми дійсно отримуємо атоми, які в 207 разів менше. Це реальність. Вона підтверджена там сотнями експериментів, тисячами, десятками тисяч у лабораторіях по всьому світу. Нюанні атоми існують. Вони дійсно там випромінюють фотони. Вони каталізують термоядерний синтез. Вони надають нам унікальні абсолютно інструменти для виміру, для виміру того ж самого розміру протона. Це дуже ефективний метод, який використовується дуже багато де. Але, на жаль, така сильно зменшена матерія дуже нестабільна. Цей міон живе лише кілька мікросекунд. І якби ми дійсно перетворили людину на людину комаху зі зменшенням у 207 разів, вона буквально б за 2 мікросекунди би розпалася. На жаль. Так що можна сказати, що атом невеликий і не маленький одночасно. Його розмір, який він існує - це компроміс між купою фізичних явищ. Це компроміс між квантовою механікою, між електромагнітною взаємодією, між часом життя частинок тощо, тощо, тощо. І коли ми намагаємося його зменшити, ми не просто там стискаємо матерію, ми змінюємо саму природу матерії нашого світу. Ми переступаємо межу, де атоми просто перестають бути атомами. Так що, якщо відповідати на питання нашої лекції, чи можна зменшити атом, так, ми дійсно це можемо. Питання лише в ціні. Ну і мабуть на цьому все. Сподіваюсь, вам було цікаво. Дякую за увагу і до побачення.