Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

свою очередь запускает сигнал в нейроне. Каждый из отдельных фотонов, который был увиден, полностью описывается одной частотой, делая отклик светочувствительных клеток в глазу недвусмысленным и легко предсказуемым.

Обоняние, в свою очередь, опирается на химические процессы, чтобы различить молекулы. Они могут невероятно варьироваться по своей структуре, иногда за счет очень тонких форм. Две молекулы с одинаковым составом в терминах количества атомов конкретных элементов могут различаться по расположению этих атомов, и эти структурные различия приводят к драматически различающимся свойствам. Если вы возьмете атом кислорода, два атома углерода и шесть атомов водорода и соедините их вместе с помощью двух атомов углерода, с одной стороны, и атома кислорода, вы получите этанол[123] – жидкость при комнатной температуре и активный ингредиент в алкогольных напитках. Если вы возьмете тот же набор атомов, но зажмете атом кислорода между двумя атомами углерода, вы получите диметиловый эфир[124], который будет газом при комнатной температуре и используется как наполнитель в аэрозольных баллончиках.

Трехмерная структура диметилового эфира и этанола, две очень разные молекулы с абсолютно одинаковой химической формулой.

Система распознавания запахов в нашем носу улавливает некоторые из этих тонких вариаций в расположении атомов, позволяя нам ощущать химически схожие молекулы как очень разные запахи. Существуют две конкурирующие теории, как рецепторы в носу различают различные молекулы. Наиболее популярной из двух считается «теория форм», которая говорит, что различные типы рецепторов соответствуют трехмерной структуре атомов детектируемой молекулы. Конкурирующая с ней «вибрационная модель» утверждает, что рецепторы различают свои целевые молекулы по тому, как те движутся. Атомы внутри данной молекулы будут колебаться туда-сюда на частотах, характерных для этой конкретной молекулы, и зависят от того, как организованы ее атомы. Адепты вибрационной теории уверяют, что данный рецептор срабатывает от присутствия атомов, вибрирующих в пределах определенного диапазона частот.

Ни одна из этих моделей не преуспела, каждая достаточно хорошо работает при объяснении результатов некоторых экспериментов, но применительно к ряду других не может дать объяснения. Полное объяснение распознавания запахов возможно при объединении обеих теорий: некоторые рецепторы в первую очередь чувствуют форму, а другие – улавливают вибрацию.

Однако каждую модель можно назвать квантовой. Как частоты вибрации конкретной молекулы, так и форма этой молекулы зависят от ее трехмерной структуры. Она определяется квантовым поведением электронов, которое точно определяет, как атомы соединить вместе, сколько данный атом может присоединить к себе других атомов, насколько крепки будут эти связи, какой угол между связями возникнет и так далее.

Объяснение этих связей требует более глубокого взгляда на поведение электронов, чем мы можем получить от модели атома Бора. Это также требует введения в оборот абсолютно нового свойства, ему нет аналогии в классической физике, что окажется существенным для широкого круга повседневных явлений. Чтобы сделать этот шаг, мы сначала должны совершить краткую экскурсию по истории химии и классификации атомов.

Периодическая таблица

Периодическая таблица элементов всем знакома – обычно это прямоугольный набор квадратиков с двумя небольшими башенками, поднимающимися по обоим концам[125]. Это один из наиболее надежных показателей научного класса. Идея «периодической таблицы чего-либо…» постоянно курсирует как шутка-картинка по интернет-сайтам с разными «таблицами» практически всего, что придет в голову, в многочисленных вариантах[126].

Периодическая таблица в том виде, в котором мы ее знаем, придумана русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Он начал работать над ней как над некой упорядочивающей схемой для учебника, который он писал в 1870 году. Ученый заметил, что встречаются определенные повторяющиеся паттерны в свойствах известных элементов, если их разместить в порядке возрастания атомной массы. Высокоактивные щелочные металлы (литий, натрий, калий), например, разделены каждый между собой примерно шестнадцатью или семнадцатью единицами массы, равно как и щелочноземельные (бериллий, магний, кальций), каждый щелочноземельный металл на одну или две единицы массы тяжелее, чем соответствующий ему щелочной (бериллий имеет атомную массу в девять единиц по сравнению с семью у лития; магний – двадцать четыре, при том, что натрий – двадцать три, и так далее). Если записать их по порядку возрастания масс, элементы начинают как бы собираться в схожие ряды и колонны, при этом химически связаны будут элементы, встречающиеся с интервалом в восемь элементов для более легких атомов и восемнадцать для более тяжелых. Самое главное, что Менделеев использовал свою схему для предсказания свойств тогда еще не известных элементов, они попадали в еще не заполненные ячейки его таблицы. Последовательное открытие элементов скандия, галлия и германия со свойствами, совпавшими с предсказаниями Менделеева, обеспечили ему репутацию изобретателя Периодической таблицы[127].

Однако, как это произошло со многими прорывами в науке в конце XIX века, эмпирический успех схемы Менделеева принес с собой и острую проблему. Периодическая зависимость, которую он заметил, явно присутствовала – но никто не знал, почему так происходит. Присутствовали также небольшие намеки, что понимание периодического закона было неполным, особенно в случае и теллуром и йодом: если говорить в химических терминах, теллур должен стоять в схеме Менделеева в столбце перед йодом, так как его свойства были больше похожи на свойства серы, в то время как йод был больше похож на бром, но его атомная масса была больше, чем у йода.

Менделеев говорил в то время, что атомная масса теллура была неточно измерена, это случалось и с некоторыми другими элементами, такими как берилл, но дальнейшие эксперименты лишь подтвердили, что берилл – самый тяжелый из этих двух элементов. Проблема теллура-йода была признаком того, что атомная масса – лишь некий заменитель настоящей причины выстраивания элементов по атомным номерам, и эта проблема не была решена еще в течение следующих сорока лет.

Одним из важных свойств, фигурирующих в схеме Менделеева, было свойство «валентности» для каждого элемента. Оно, если можно так выразиться, считается количеством связей атома данного элемента, которые он может образовать с другими атомами. Начиная с ранних 1800-х годов (с работы Джона Дальтона[128], уточненной Амедео Авогадро[129]) химики заметили, что в простых молекулах элементы комбинируются в определенных пропорциях – две части водорода объединяются с одной частью кислорода для образования воды, а три части водорода объединяются с одной частью азота, чтобы создать аммиак. Этот «закон пропорций» был одним из самых сильных аргументов для современной атомной теории. По мере того как заканчивалось столетие, эта идея была расширена до понятия максимального количества связей на элемент, свойство, разделяемое всеми элементами в отдельном столбце Менделеевской таблицы. Таким образом, щелочные металлы в первом