cicatrix

Теория Большого взрыва уходит корнями в глубокое прошлое. Среди философов и позднее – религиозных деятелей шёл спор, была ли Вселенная всегда (как утверждал Аристотель) или у неё было начало (что больше устраивало ранних иудеев). В 1225 году в своём трактате «О свете и о начале форм», английский теолог Роберт Гроссетест описывал рождение Вселенной во взрыве с последующей кристаллизацией материи, из которой образовались звёзды и планеты, заняв своё место на небесных сферах вокруг Земли. В 18 веке Эразм Дарвин (дед более известного Чарльза Дарвина) описывал циклически расширяющуюся, а затем – сжимающуюся вселенную. Эдгар По в своей «Эврика. Поэма в прозе», описал начало Вселенной из «первозданной частицы… по божьей воле». Согласно По, «божья воля» проявилась в расталкивающей силе, разделившей первозданную частицу на атомы. Атомы распределились в пространстве, после чего расталкивание прекратилось, и началось притяжение, в результате которого материя начала собраться в звёзды и планеты.

В начале 20 века с использованием спектроскопии удалось обнаружить красное смещение в спектрах удалённых «спиральных туманностей» (тогда их ещё не называли галактиками). На то время было сложно объяснить это явление, так как считалось, что небесные объекты размещены во вселенной более-менее стационарно.

Красное смещение первым объяснил, не Эдвин Хаббл, а Жорж Леметр (католик и иезуит). Его объяснение гласило: Вселенная не статична, а расширяется. Через два года американец Эдвин Хаббл повторил открытие и выявил закономерность, согласно которой величина красного смещения возрастает пропорционально расстоянию до объекта, это открытие назвали законом Хаббла.

В 1931 году Леметр предложил «гипотезу первобытного атома», от взрыва которого и началась Вселенная. Сам термин «Большой взрыв» (Big bang) создал, по иронии судьбы, противник теории взрыва, Фред Хойл, который предлагал альтернативное объяснение красного смещения в своей теории стационарной вселенной. Согласно ней, между разлетающимися галактиками постоянно создаётся новая материя. Хойл выступал с лекциями по третьему каналу Би-Би-Си, и, высмеивая теорию своего оппонента, ввернул фразу «…эта идея большого взрыва» (that ‘big bang’ idea).

Две теории конкурировали между собой. Обе теории могли объяснить происхождение вселенной, но теория стационарной вселенной не могла объяснить её текущее состояние. Почему, например, квазары и радиогалактики наблюдаются астрономами гораздо чаще только на больших от нас расстояниях, а рядом с нами их нет. Наконец, в 1964 году, произошло открытие, окончательно похоронившее теорию стационарной вселенной и буквально перевернувшее мир физики. Сотрудники лаборатории Белла Арно Пензиас и Роберт Вилсон при помощи такой вот рупорной антенны занимались поиском источников радиоизлучения, которые потенциально могли навредить космическим спутникам:

При калибровке установки они никак не могли избавиться от «шума» – статических помех. Куда бы они ни направляли свою антенну, отовсюду они получали помехи в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения. Такой сигнал могло бы излучать тело, имеющее температуру 2,7 Кельвин (это чуть выше абсолютного нуля). Сигнал можно было получить с любого направления, он был буквально везде, будто бы источник этого излучения находился на внутренней стороне сферы, в центре которой мы находимся? Что же за источник у этого «света»?

Все, наверное, видели лампу накаливания или нагретый докрасна металл (например, в тостере). Это не отражённый свет, этот свет испускается самими атомами вещества (подробнее о механизме см. Как выглядит атом?). Учёные пользуются термином «абсолютно чёрное тело» – это идеализированная модель объекта, который поглощает всё электромагнитное излучение, падающее на него, не отражая ничего, и может испускать только собственный свет, длина волны которого зависит только от его температуры. Если построить график интенсивности излучения такого тела, в зависимости от его нагрева, то получится что-то вроде этого:

Свой спектр теплового излучения, в той или иной степени походящий на спектр излучения абсолютно чёрного тела, имеет любой объект в нашей Вселенной. Если мы опустим температуру тела до 2,7 К, то пик интенсивности сдвинется из видимого диапазона в микроволновый, а спектр в точности совпадёт со спектром наблюдаемого радиоастрономами излучения. И когда я говорю «в точности», это не фигура речи. Спектр открытого излучения в действительно в точности совпадал с математической идеальной моделью.

Мы знаем, что вселенная пуста, там ничего нет, что могло бы иметь температуру, да к тому же ещё и вполне определённую температуру 2,7 К. Почему открытое излучение вообще имело тепловой спектр?

Так было открыто реликтовое микроволновое излучение. По сути, Пензиас и Вилсон «увидели свет» от Большого взрыва – процесс, в ходе которого сформировались первые атомы во Вселенной около 13,5 миллиардов лет назад.

Мы знаем, что вселенная расширяется, это подтверждается красным смещением в спектре удалённых от нас объектов. Чем дальше объект от нас, тем длиннее волна дошедшего до нас излучения.

Единственное объяснение этому в рамках общей теории относительности – то, что расширяется само пространство. Чем больше расстояние, пройдённое светом, тем больше его волна будет «растянута». Мы можем использовать уравнения общей теории относительности (ОТО) и «отмотать» время назад, чтобы построить модель ранней вселенной. Согласно ОТО, получается, что когда-то вселенная умещалась в точку бесконечно малого размера – сингулярность, в момент времени t = 0, гипотетическое начало существования нашего мира.

Не все космологи склонны слепо доверять ОТО в данном случае. Дело в том, что, хотя данная теория с успехом объясняет наблюдаемые явления и предсказывает результаты научных экспериментов, она не в состоянии смоделировать квантовое состояние гравитации в этот первичный момент времени. Мы знаем, что на каком-то моменте нашей «перемотки» времени, чистая ОТО начнёт давать неверные предсказания, так как состояние вселенной на тот момент времени выйдет за рамки сферы применимости ОТО. Эти ограничения давно известны физикам и не являются чем-либо выдающимся, так что не спешите кричать о том, что Эйнштейн был неправ. Мы можем достоверно судить о состоянии Вселенной после Большого взрыва только с определённого момента.

С точностью мы можем сказать, что когда-то Вселенная была очень плотной, очень горячей, а также – непрозрачной. Где-то в возрасте 370 тыс. лет она была оранжевого цвета. В эту эпоху она была наполнена плазмой из хаотично движущихся заряженных частиц и имела температуру в несколько тысяч градусов. Это слишком большая температура для того, чтобы электроны и протоны могли сформироваться в атомы. Эта плазма излучала свет (как и любое другое нагретое вещество), однако, фотоны этого света не могли распространяться далеко из-за большой плотности вещества. Испускаемые фотоны просто сталкивались с каким-либо электроном и, либо снова поглощались, либо отскакивали как бильярдные шары. Внутри этой плазмы была практически нулевая видимость.

Но Вселенная расширялась, а плазма, соответственно, постепенно охлаждалась и настал момент, когда её температура опустилась ниже 3000 К.

Цветовая температура в 3000 К соответствует оранжевому цвету. Забавно, что художники считают более «тёплыми» цвета лампочек слева и более «холодными» – справа, хотя физически дела обстоят совсем наоборот.

При этой температуре, наконец, смогли образоваться нейтральные атомы, и свободных электронов практически не осталось. Плазма превратилась в горячий газ, а вселенная впервые стала прозрачной для электромагнитного излучения. Испущенные в этот миг фотоны уже не встречали на своём пути препятствий, и устремились во все стороны сразу. Свет этих фотонов путешествует и по сей день, но первоначально оранжевый, он со временем всё больше и больше подвергался действию красного смещения, его спектр краснел, затем перешёл в инфракрасную область спектра, а затем – в микроволновую. К настоящему моменту этот свет «остыл» до 2,7 К и фиксируется только при помощи радиотелескопа.

На рисунке ниже показаны карты реликтового излучения, где микроволновый диапазон сдвинут область видимого спектра. Надо иметь в виду, что хотя излучение и показано на подобных иллюстрациях контрастными цветами, в действительности, разница между самым холодным пятном и самым горячим составляет всего 0,8 мкК (восемь миллионных долей градуса).

Вы тоже можете увидеть его, просто включив ненастроенный телевизор. Около 1% помех на экране вашего телевизора вызваны фоновым реликтовым излучением.

Важность открытия реликтового излучения огромна для теории Большого взрыва. Наличие этого излучения можно объяснить только тем, что когда-то Вселенная была меньше, плотнее и горячее, чем сейчас.

Неравномерность излучения (пусть и выражающиеся в температурах порядка одной тысячной градуса) позволяют судить о «местах», где сформировались звёзды, галактики и галактические скопления. Чем дальше мы смотрим в космическое пространство, тем моложе эпоха, которую мы наблюдаем. Мы можем наблюдать первые галактики, сформировавшиеся сразу после Большого взрыва. Теория подсказывает нам, что мы должны наблюдать бурные процессы столкновений и слияний галактик, богатых веществом для образования звёзд, но бедных в части тяжёлых элементов, образующихся только в результате взрывов сверхновых (см. Вскрываем трупы звёзд). И астрономы наблюдают в точности такую же картину, что и предсказывает теория. Самые дальние галактики, образовавшиеся в первые 5% времени существования вселенной, выглядят совершенно не так, как галактики, более близкие к нам. Вселенная определённо эволюционирует!

Если теория Большого взрыва верна, видимая «рябь» в волнах реликтового излучения должна нести в себе «отпечаток» распределения материи в момент, когда фотоны реликтового излучения отправились в путь, и такой же рисунок должен повторяться в распределении галактик на небе.

В рамках большого Слоановского цифрового обзора неба SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey-III) в 2014 был проведён спектроскопический обзор барионных колебаний (BOSS/ Baryon Oscillation Spectroscopic Survey). Были измерены незначительные повторяющиеся изменения плотности галактик на расстоянии до шести миллиардов световых лет от Земли (что соответствует красному смещению 0,7), когда возраст Вселенной был равен примерно половине текущего. Эти волны, вариации плотности галактик известны как барионные акустические колебания. В определённом смысле, мы можем не только «видеть» большой взрыв, но и «слышать» его.

https://www.nanowerk.com/news2/space/newsid=35104.php

Все эти эксперименты пока что позволили нам узнать, что происходило во Вселенной, начиная с «возраста» примерно в 400 тыс. лет, и заканчивая настоящим моментом (примерный возраст Вселенной – 13,5 млрд. лет).

Используя эксперименты на ускорителях и моделируя раннюю Вселенную, мы можем с уверенностью предсказать её развитие и в непрозрачную эпоху. В возрасте нескольких секунд Вселенная была гораздо горячее, чем звёздное ядро. В таком состоянии она находилась примерно 20 минут. В этот период активно проходил первичный нуклеосинтез – формировались ядра первых атомов.

Теория Большого взрыва позволяет нам предсказать температуру и длительность этой фазы. Мы можем судить об этом по наблюдаемому распределению водорода и гелия в наблюдаемой Вселенной (водород ~75%, гелий-4 ~25, дейтерий и гелий-3 меньше 0,01%). Именно столько гелия должно было синтезироваться за 20 минут времени.

Условия ранней вселенной, которые мы смогли повторить на Земле в Большом адронном коллайдере, позволяют нам с уверенностью судить о развитии Вселенной, начиная с возраста 10⁻³² секунды, когда вся наблюдаемая Вселенная была размером с песчинку. Мы смогли убедиться, что наши модели по-прежнему работают и при таких высоких энергиях.

При температурах порядка 1 квадриллиона градусов, поле Хиггса перестаёт работать. Поле Хиггса даёт частицам их массу покоя, и если его убрать, то частицы-переносчики слабого фундаментального взаимодействия – бозоны W⁺, W⁻ и Z⁰ становятся неотличимы от фотонов. Это означает, что слабое и электромагнитное взаимодействия при таких условиях объединяются в одно – электрослабое. Период времени, когда такие условия имели место, называется электрослабая эпоха.

Эти условия мы ещё можем воспроизвести, на БАК, но когда температура превышает 10²⁹ К и возрасте Вселенной 10⁻³⁸ секунды, наша уверенность в чём-либо заканчивается, так как воспроизвести подобные условия на Земле мы не можем.

Мы можем только предполагать, что на этом этапе электрослабое взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие так же объединяются в одно. Существует несколько идей того, как это могло бы происходить, и все эти теории получили общее название теории великого объединения. По правде говоря, их проще назвать гипотезами, так как неизвестно, какая из них верна (если вообще среди них есть верные). Для их проверки требуются уровни энергии, в триллионы раз превышающие те, что мы могли достичь в Большом адронном коллайдере. Может, оно и к лучшему, что подобная энергия нам пока недоступна.

Отмотаем время ещё немного, до возраста 10⁻⁴² секунды. В этот момент, видимая нам Вселенная имела размеры 10⁻²⁰ диаметра протона – этот размер называется Планковской длиной (1,6⋅10⁻³⁵ м). И на этом рубеже, вся известная нам физика попросту перестаёт существовать. Общая теория относительности вступает в серьёзный конфликт с квантовой механикой, так как четвёртое фундаментальное взаимодействие – гравитация начинает выдавать в уравнениях одну сингулярность за другой.

Для объяснения того, что происходило в этот момент нам необходима теория квантовой гравитации, которую ещё называют «Теорией Всего», так как в её рамках действительно можно будет объяснить любой наблюдаемый процесс во Вселенной.

Вернёмся снова к моменту, когда Вселенная стала прозрачной. Её возраст составляет примерно 400 тыс. лет, её размер примерно в 1000 раз меньше её текущих размеров. Как уже было сказано, мы можем наблюдать последний свет большого взрыва в виде реликтового микроволнового излучения, однако учёным до сих пор непонятно, почему его температура настолько равномерна – она колеблется в пределах одной стотысячной градуса, будто бы всё вещество в остывающей Вселенной было тщательно перемешано. Все мы видели, как сливки смешиваются с кофе со временем, даже если их специально не перемешивать, но проблема в том, что, основываясь только на уравнениях ОТО, у расширяющейся Вселенной не было времени на то, чтобы так перемешаться до настолько однородного уровня.

Чтобы две подсвеченные области на рисунке могли прийти к тепловому равновесию, должно быть «что-то», что бы переместилось от одной области к другой и не передало энергию. Но ничто в этом мире, даже свет, не успело бы пройти данное расстояние за отведённое моделью время.

Даже если мы возьмём вселенную, размером с песчинку и возраст вселенной 10⁻³² сек., и возьмём фотон, испущенный у одного края этой песчинки, затем применим скорость расширения вселенной и умножим всё это на 400 тыс. лет, то мы поймём, что фотон просто не успевает долететь до противоположного края. Расстояние между краями нашей «песчинки» будет увеличиваться быстрее скорости света. Иными словами, противоположные края Вселенной всегда находились вне горизонта частиц друг друга. Проблему так и назвали «Проблемой горизонта».

Единственным на сегодняшний день объяснением данной проблемы является гипотеза о том, что Вселенная была изначально достаточно малого размера, чтобы «перемешаться» как следует и достичь однородности, а затем резко раздуться в размерах со скоростью, которая значительно превышает скорость, предсказанную ОТО. Данная теория получила название «инфляционная модель».

Идея в том, что Вселенная началась с субатомных размеров, имела достаточно времени, чтобы прийти к термодинамическому равновесию, а затем вошла в стадию экспоненциального взрывного роста в размерах (инфляции), в ходе которого увеличилась по меньшей мере в 10²⁶ раз, после чего расширение замедлилось до текущих темпов. Таким образом, её края были вырваны из конусов причинно-следственных связей друг друга. Данная идея объясняет Проблему горизонта, однако оставляет вопросы относительно того, что послужило причиной взрывного роста и почему потом этот рост замедлился. Тем не менее, инфляционная модель настолько хорошо объясняет столько всего, что большинство космологов соглашается с тем, что что-то подобное должно было иметь место, хотя никаких свидетельств этому нет.

В этом свете Теорию Большого взрыва стоит рассматривать не как теорию образования нашей Вселенной, а как теорию объясняющую период расширения от субатомных размеров до космических. Некоторые аспекты данной теории имеют настолько жёсткие подтверждения, что не оставляют сомнений в верности «общей картины», однако, как и у любой теории, у Теории Большого взрыва есть границы применимости. Может быть, мы сможем дополнить эту теорию, а может – процесс познания Вселенной проведёт нас гораздо дальше Большого Взрыва.

В завершении я хочу развеять несколько распространённых заблуждений, которые встречаются у людей, поверхностно знакомившихся с теорией большого взрыва:

Миф: Теория Большого взрыва описывает начало существования нашей Вселенной. На самом деле, сама теория Большого взрыва ничего не говорит о непосредственном рождении Вселенной. Текущая концепция подразумевает существование энергии, времени и пространства, и не объясняет их происхождения.

Миф: Большой взрыв был «крохотным». Многие, пытаясь визуализировать большой взрыв (я – не исключение), пытаются сравнивать Большой взрыв с повседневными объектами. Это сравнение, однако, верно только в части Наблюдаемой Вселенной, а не всей Вселенной.

Миф: Закон Хаббла нарушает специальную теорию относительности. Действительно, дальние галактики удаляются от нас быстрее скорости света. Однако, специальная теория относительности применима только к движению сквозь пространство. В данном случае, расширяется само пространство.

Миф: Красное смещение удаляющихся галактик вызвано эффектом Доплера. Астрономы часто ссылаются на космологическое красное смещение, будто это обычный эффект Доплера. Хотя они схожи по своему действию, у них разный механизм. Доплеровское красное смещение основано на специальной теории относительности, которая не принимает во внимание расширение пространства. Космологическое же красное смещение основано на общей теории относительности, которая учитывает расширение. Для относительно близких к нам галактик, они могут показаться идентичными, однако, если пытаться описать красное смещение далёких галактик эффектом Доплера, можно прийти к неверному результату.

Въедливый читатель может возразить – батареи генерируют электрическую энергию, в то время как из взрывчатки и химического топлива энергия освобождается в виде тепла. Это весомый аргумент, поэтому посмотрим на современный дизель-генератор. При оптимальной нагрузке в 60-70%, он выдаст примерно 3 КВт*ч электроэнергии на 1 литр топлива (https://bryan-power.com/wp-content/uploads/diesel-generator-fuel-consumption.pdf). Это соответствует примерно 10,8 МДж энергии, что по-прежнему будет примерно в 20 раз больше, чем вы получите с 1 кг батарей.

Теперь давайте ещё раз взглянем на таблицу плотностей энергии, чтобы понять, что никаких прорывов в части аккумуляторов ожидать не следует. Какие бы мы батареи не изобретали, принцип их устройства окажется неизменным: для того, чтобы она дала электрический ток в виде хотя бы одного электрона, нам потребуется как минимум 1 атом на аноде, чтобы этот электрон отдать, 1 атом на катоде, чтобы его принять, и ещё нужно N атомов для разделения анода и катода (электролит). Химическое топливо или взрывчатка запасают энергию в 100% молекул, у аккумулятора этот показатель много меньше 50% при том, что сейчас литий-металлические аккумуляторы имеют плотность энергии лишь в 10 раз меньше.

Для аккумулятора это весьма хороший показатель, так как взамен уменьшенной плотности энергии мы получаем относительную безопасность использования. Представьте, что мы могли бы запасать в аккумуляторах энергию с такой же плотностью энергии, как в тротиле. Захотелось бы вам иметь такой аккумулятор?

Что будет, если вы «закоротите» такую батарею? Сделаем очень щедрое предположение, и дадим ей, например, теплоёмкость как у воды – 4180,6 Дж/(кг•К), то есть, для того, чтобы подогреть воду на 1 градус, необходимо потратить столько энергии, и я повторяю, это очень щедро – круче воды в этом плане только гелий, аммиак и водород. Так вот, если 1 кг батарея высвободит около 4 млн. джоулей, то она «согреется» на 1000 градусов Цельсия. На практике же, нагрев будет ещё больше, так удельная теплоёмкость этой батареи не будет и близко подходить к такому значению, как у воды.

Собственно, даже современные аккумуляторы представляют собой определённую опасность:

Теперь, наверное, становится понятно, почему бензин (и прочее углеводородное топливо) является сегодня наиболее предпочтительным «переносным» источником энергии. Бензин является почти что идеальным топливом – при огромной плотности энергии, он остаётся относительно безопасным. Да, пары бензина тоже могут взрываться, но на миллиард автомобилей в мире, на подобные случаи статистика отводит доли процента. Кроме того, чтобы потушить бензин, необходимо всего лишь перекрыть доступ кислорода пламени. Повреждённая батарея, с другой стороны, будет продолжать отдавать свою энергию, пока не освободит её полностью. Потушить её нельзя. Энергия, способная заставлять автомобиль двигаться 600-800 км, легко и безопасно запасается в бензобаке объёмом 40-60 литров, в то время как аккумуляторы электромобиля сейчас занимают в 3-4 раза больший объём, и при этом имеют запас хода всего 200-250 км.

Я уже не говорю про авиацию, где аккумуляторы не применимы в принципе – вы не сможете сделать хоть сколько-нибудь годный самолёт, так как для необходимой мощности двигателей потребуется большая масса батарей, чтобы поднять которую потребуется более мощный двигатель, чтобы его запитать потребуется больше батарей... ну вы поняли.

Сейчас активно продвигаются два вида автомобилей, не использующих углеводородное топливо – электромобили и автомобили на водородных ячейках.

Водород, казалось бы, идеальное топливо. Его плотность энергии 142 МДж на 1 кг. Выше – только у ядерного и термоядерного топлива. Однако, добавьте к массе, собственно, водорода, массу баллона для его хранения, и всё уже не выглядит таким радостным. Обычный стальной промышленный баллон для сжатого газа, выдерживающий давление 150 атм. имеет массу почти 60 кг и вмещает всего 40 литров газа. Плотность водорода в нормальных условиях 0,08987 г/л, это значит, что при давлении в 150 атмосфер, масса водорода, помещающегося в этот баллон составит… всего около 0,45 кг. Для хранения 450 грамм водорода требуется «тара» массой 60 кг! Сжигая это количество, я получу ~63,9 МДж энергии, что эквивалентно ~1,5 кг дизельного топлива.

Возьмём обычный автомобиль с объёмом топливного бака, скажем 50 л. Масса пустого топливного бака пусть будет 10 кг, масса всей топливной системы при плотности топлива 875 г/л составляет 53,75 кг, при этом, в таком автомобиле запасено 2,1 ГДж энергии.

Чтобы запасти такое же количество энергии, в случае с водородом мне потребуется 14 кг водорода… то есть примерно 33 баллона, которые весят по 60 кг каждый, то есть почти 2 тонны. При этом кто-то ещё должен будет потратить энергию на то, чтобы сжать весь этот водород до 150 атмосфер.

Вот Тойота-Миллениум. Одна заправка для неё – это примерно 5 кг водорода (эквивалент ~22 литра бензина), однако суммарная масса топливной системы вместе с баками составляет 92,5 кг. (и это при использовании высокотехнологичных ультра-лёгких материалов, а не стали).

Дальность хода на одной заправке для такого автомобиля составляет 500 км. Вроде неплохо, но если мы возьмём эквивалентную массу бензина (~80 кг или 91 л) на обычном автомобиле сходного класса мы проедем в 2 – 2,5 раз большее расстояние.

Ещё не стоит забывать тот факт, что водород взрывается при смеси с воздухом в концентрациях от 18,3 до 59% (то есть, практически всегда) И взорваться он может просто от искры статического электричества на вашей одежде или просто от косого взгляда. Представьте себе, что будет, если водородные баки такого автомобиля повредятся в результате ДТП!

Да, сейчас безопасности водородных автомобилей уделяется большое внимание, но посмотрите на это видео, где в топливный водородный бак стреляют практически в упор. Посмотрите внимательно на скорость, с которой из бака исходит струя газа – она сопоставима со скоростью пули. И, помните, этот газ может взорваться от любой искры чуть позже, даже если он не взорвался от выстрела.

Теперь посмотрим на флагман электромобилестроения Tesla Model 3. В документации указано, что на одной зарядке, этот «лучший электромобиль» пробегает 215 миль или 346 км (это если используется форм-фактор 18650). На элементах форм-фактора 2170 будет на 100 миль больше и Тесла догонит среднюю дальность пробега стандартной легковушке на 1 заправке (500 км). При этом масса батарей составляет около 500 кг! То есть, у Теслы топливная система имеет массу почти в 10 раз больше при меньшем пробеге! Характеристики даже хуже, так как разряженный аккумулятор весит столько же, чем заряженный (на самом деле нет, но погрешность пренебрежительно мала).

Теперь про дозаправку. Если у бензинового транспорта и даже автомобилей на водороде проблем заправкой нет, и её длительность составляет несколько минут, у электромобиля скорость зарядки аккумуляторов исчисляется часами! При этом, чем выше скорость передвижения, тем быстрее я посажу батареи. При перемещении со скоростью 100 км/ч на каждые следующие 100 – 120 км, мне необходимо будет целый час подзаряжать аккумуляторы (и это если я найду розетку!).

Аккумуляторы Илона Маска – одни из лучших в мире на сегодняшний день, но что бы он нам не обещал на тему «революций» в аккумуляторостроении, термодинамику ему не победить и по плотности энергии, аккумуляторы всегда будут гораздо хуже химического топлива.

Разумеется, у химического топлива есть один недостаток – при его сгорании образуется углекислый газ, который вносит серьёзное влияние в процесс глобального потепления климата. Разумеется, у электромобилей, как у городского транспорта есть будущее, и есть своя ниша, однако посмотрите на эту картинку и подумайте вот о чём – так ли уж чиста эта «чистая» энергия:

Вот прогноз динамики развития мировой энергетики до 2040 года (источник) . Разумеется, я тоже очень рад, что доля возобновляемых источников энергии растёт, однако, не стоит думать, что их доля в ближайшие годы превысит долю, приходящуюся на выработку электроэнергии из ископаемого топлива:

Подумайте, автомобиль на водороде будет тратить энергию не только на перевозку вас, но ещё и на перемещение тяжёлых топливных баллонов, к тому же водород – не самое безопасное топливо в мире. Но это ещё не всё, на то, чтобы сжать водород до 150 – 200 атмосфер тоже будет потрачена энергия (на заправке).

То же самое касается электромобилей – подумайте, сколько лишнего веса в виде аккумуляторах ездит вместе с вами, подумайте, что почти половина энергии данных аккумуляторов тратится лишь на перемещение их собственного веса.

Автомобильный бензин или дизельное топливо, если упростить, при сжигании производят воду и углекислый газ. Больше того, если потратить определённую энергию, то эти два компонента можно заново скомбинировать в углеводородное топливо и кислород. Да, на производство топлива таким способом потратится больше энергии, чем потом может получиться при его сжигании, но раз мы всё равно хотим тратить энергию на перевозку «мёртвой массы» аккумуляторов или газовых баллонов, не лучше ли сосредоточить усилия в этом направлении?

Внутри звёзд идёт постоянная борьба бобра с ослом фундаментальных сил природы, поэтому для правильной постановки диагноза, надо понять, что происходит.

Ггггравитация! Одна из фундаментальных сил. Она давит, она тянет, она хочет слепить всю материю в один комок. Причём, чем ближе две массы друг к другу, тем сильнее она тянет. Уменьшите расстояние между объектами в два раза, сила притяжения возрастёт в четыре. Что же не даёт всей материи схлопнуться в одну точку под действием гравитации? На первой линии обороны стоят электроны, формирующие «щит» вокруг атомного ядра. Это вступает в борьбу электромагнитное взаимодействие.

Мы знаем, что почти вся масса атомов сосредоточена в их ядрах, которые в десятки тысяч раз меньше диаметра атомов. Для сравнения, у самого лёгкого элемента – водорода радиус ядра составляет 0,875 фм (8,751 × 10⁻¹⁶ м) в ~60 тыс раз меньше радиуса всего атома 52,92 пм или 52,92 × 10⁻¹² м), у самого тяжёлого, встречающегося в природе – Урана радиус ядра 5,85× 10⁻¹⁵ м, что в ~26 тыс. раз меньше радиуса атома (156 пм или 156× 10⁻¹² м).

Чтобы лучше понять, насколько ядро атома маленькое, возьмите для масштаба горошину диаметром 5 мм, это будет как бы ядро, затем увеличьте её в 60 тыс. раз – получите шар диаметром в 300 метров – это будет атом. Электроны атома не дают сблизиться ядрам достаточно близко, чтобы ядра слиплись, так как отталкиваются друг от друга.

Но звёзды, звёзды они большие. Очень большие, и у них много массы. Огромное количество материи сдавливается до такой степени, что атомам остаётся становится всё меньше и меньше места, чтобы двигаться, они всё чаще соударяются друг с другом, давление растёт, а доступный объём уменьшается... то есть растёт температура. Когда мы говорим о температуре, на самом деле мы говорим о кинетической энергии частиц вещества. Рано или поздно, атомы начнут раздеваться терять свои электроны, если по-научному, то ионизироваться. Аналогия очень грубая и неправильная, но всё равно приведу пример – возьмите груз и привяжите к нему нитку. Теперь раскручивайте груз на нитке быстрее и быстрее (в данной аналогии – вы будете атомным ядром, а груз – электроном). Чем быстрее вы будете раскручивать, тем больше будет энергия груза. Рано или поздно нитка разорвётся и груз улетит – значит, вы ионизировались.

Много быстрых и голых атомных ядер без электронов называются плазмой. Ядра всё равно будут расталкиваться, так как они все положительно заряженные и требуется большая сила, чтобы можно было преодолеть этот барьер (кстати, он называется Кулоновский барьер). Но если хорошенько разогнать одно ядро в направлении другого, у него будет достаточно кинетической энергии, чтобы победить отталкивание и пасть в крепкие лапки сильного фундаментального взаимодейтствия (как оно работает, можно почитать в отдельном посте). Два (а бывает, и три) лёгких ядра сольются в экстазе, образуя более тяжёлое. Это называется термоядерный синтез, священный грааль человечества. Образовавшееся ядро будет легче, чем сумма масс врезавшихся друг в друга лёгких ядер, а разница вылетит в виде энергии (фотонов, электронов и нейтрино).

Так «горит» водород, превращаясь в гелий. Его запасы огромны, и большинству звёзд требуются многие миллиарды и даже десятки триллионов лет, чтобы сжечь его полностью, причём, вопреки интуиции, чем массивнее звезда, тем короче (но ярче!) окажется её жизненный путь. Малые звёзды, наоборот, живут очень и очень долго. Настолько долго, что мы до сих пор не знаем, что происходит со звёздами малого размера (с массой где-то в половину Солнца или меньше), так как ещё ни одна из них не умирала естественным образом.

Звёзды покрупнее (масса 0,4 – 3,4 Солнца) по мере израсходования запасов водорода имеют достаточную массу, чтобы гравитация сжала их ядро до такой степени, чтобы «поджечь» гелий, когда начнёт образовываться более тяжёлые элементы, вплоть до углерода. Этот процесс сопровождается выделением ещё большей температуры, и поток энергии от ядра становится настолько сильным, что, переборов гравитацию, начнёт раздувать внешние слои звезды. Звезда «пухнет» в размерах и превращается в красного гиганта. Давление на ядро уменьшается, реакции синтеза замедляются, тогда гравитация снова начинает сдавливать ядро, и они разгораются снова. Звезду «лихорадит», она постоянно меняет размеры, температуру, всё это сопровождается нарастающей потерей массы, которая превращается в звёздный ветер, богатый кислородом и углеродом.

«Горение» гелия продолжается около миллиарда лет. Если у звезды ещё остаётся масса, то «поджигаются» углерод и кислород, образовавшиеся на предыдущем этапе. Звезда ещё больше распухает, а потоки звёздного ветра усиливаются. Если масса всё ещё есть, «зажигается» неон, затем кремний, причём каждый следующий этап в разы короче предыдущего. Если «горение» водорода продолжается миллиарды лет, то когда «горит» кремний, счёт идёт даже не на дни, а на часы. Это последние часы перед смертью звезды, её последний вздох. Последними химическими элементами, которые синтезируются непосредственно в ходе термоядерных реакций является железо, никель и цинк, но до этой стадии могут дожить лишь тяжёлые звёзды, у более лёгких звёзд этот процесс может заканчиваться уже фтором.

Никель и цинк образуются, можно сказать, уже по инерции, ускоряя угасание звезды. Дело в том, что если при синтезе элементов легче железа энергии выделяется больше, чем тратится, то на синтез более тяжелых элементов энергии уже потратится больше, чем выделится. так что «гореть» внутри звезды становится уже нечему.

Всё время, пока в ядре звезды идут термоядерные реакции, давление исходящего от них излучения противостоит силе гравитации, старающейся сжать вещество как можно сильнее. Звезда находится в состоянии гидростатического равновесия. На последней стадии процесс становится очень интенсивным и быстрым. Что происходит дальше, целиком зависит от того, насколько тяжёлой была звезда.

Белый карлик

Гравитация сжимает оставшиеся атомы в ядре звезды настолько сильно, что электроны перестают «принадлежать» отдельным атомам. Сначала электроны заполняют все нижние орбитали, поскольку места на них больше нет – мы знаем (см. пост), что два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии из за принципа запрета Паули, электроны вынуждены занимать всё более и более высокие уровни.

Из-за того, что электроны не могут отдавать энергию путём перехода на забитые битком нижние этажи, материя, уже не представляет собой набор атомов, скорее, это набор положительно заряженных ядер, «плавающих» в море электронов. Такое состояние материи называется «вырожденный электронный газ».

Белый карлик (кстати, наше Солнце и большинство звёзд в наблюдаемой Вселенной превратятся именно в него) – это медленно остывающий остаток от небольшой звезды, состоящей из вырожденного электронного газа. Плотность его очень высока, чтобы получить такую плотность Солнце надо ужать до размеров нашей планеты. Звезда уже не производит энергию, но продолжает светиться, постепенно отдавая накопленную энергию, пока не остынет настолько, что превратится в чёрного карлика (хладный труп).

Электроны оказывают очень сильное сопротивление гравитационному сжатию из-за принципа запрета Паули, и, если масса звезды была недостаточной, то гравитация уравновешивается давлением вырожденного электронного газа... но если звезда оказывается тяжелее определённого предела (предел Чандрасекара), примерно в 1.44 масс Солнца, то гравитация пересиливает и буквально «вдавливает» электроны в протоны атомных ядер, превращая ядро в нейтронную звезду. Процесс называется обратный β-распад (англ.).

Нейтронная звезда

Но предшествует этому событию грандиознейший выброс материи в окружающее пространство.

Протоны и электроны под огромным давлением объединяются, в результате чего получается нейтрон. Нейтронная звезда, ВНЕЗАПНО, почти полностью состоит из нейтронов (за исключением внешней «шелухи» из обычного вещества). Коллапс звезды продолжается до колоссальной плотности. Высвободившаяся гравитационная потенциальная энергия выбрасывает очень горячее вещество, находящееся на внешних слоях звезды, в окружающее пространство с огромными скоростями (до 10% скорости света). В процессе звезда теряет очень много своей массы, зато в ходе данного взрывного процесса (кстати, это называется «взрывом сверхновой», не путать с «новой») происходит синтез почти всех остальных химических элементов, тяжелее железа.

Тут нужно сказать, что упомянутый всуе предел имени индийского астрофизика Субраманьяна Чандрасекара по массе звезды касается лишь массы её ядра. Для того, чтобы белый карлик превратился в нейтронную звезду, его масса (до взрыва) должна составлять примерно около 8 Солнечных масс. Масса в восемь Солнц оставляет «труп» массой всего в 1.4 массы Солнца, масса в 20 солнечных оставит ядро массой всего в три.

Диаметр нейтронной звезды, имеющей массу Солнца, составляет всего 10-20 км.

Средняя плотность её вещества составляет 2,8 × 10¹⁷ кг/м³. Такой материал называют «нейтронием». Это, в принципе, максимальная плотность, которую вообще может иметь материя, поэтому нейтроний так любим писателями-фантастами в качестве брони для космических кораблей. К сожалению, нейтроний может существовать только при давлении порядка сотен миллионов тонн на кв. см, и нет никакой возможности для его существования в нормальных условиях. Даже если представить себе гипотетически, что можно было бы достать образец подобного вещества из ядра нейтронной звезды, как только снизится окружающее давление, нейтроний тут же начнёт превращаться в обычную материю, при этом процесс будет сопровождаться многомегатонным «фейерверком».

Поскольку нейтрон тоже является фермионом (его спин равен ½) на него так же распространяется принцип запрета Паули, гласящий, что два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии. Это значит, что хотя два нейтрона даже могут занимать физически одно и то же место, однако при этом иметь разнонаправленный спин, но больше нейтронов в эту область пространства поместить не удастся. Но и это препятствие не является непреодолимым. Если масса коллапсирующей звезды превышает определённый предел (на сей раз предел Оппенгеймера – Волкова, который на сегодняшний день определён в пределах 1,3 – 3 солнечных масс), последний барьер рушится и победившая всех гравитация в течение буквально секунд коллапсирует всю оставшуюся массу в безразмерную точку с бесконечной плотностью, называемой сингулярностью, а вокруг по радиусу Шварцшильда сформируется горизонт событий чёрной дыры.

Но такое происходит не так уж и часто, так как большинство звёзд в наблюдаемой вселенной имеют небольшую массу, и закончат свою жизнь как белые карлики.

Пульсары

Но вернёмся к нейтронной звезде. Нейтронные звёзды — один из немногих классов космических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями.

Впервые мысль о существовании звёзд с увеличенной плотностью ещё до открытия нейтрона, сделанного Чедвиком в начале февраля 1932 года, высказал известный советский учёный Лев Ландау. Так, в своей статье «О теории звёзд», написанной в феврале 1931 года и по неизвестным причинам запоздало опубликованной 29 февраля 1932 года (более чем через год), он пишет: «Мы ожидаем, что всё это [нарушение законов квантовой механики] должно проявляться, когда плотность материи станет столь большой, что атомные ядра придут в тесный контакт, образовав одно гигантское ядро».

Теоретические расчёты показали, что излучение нейтронной звезды слишком слабое, чтобы её можно было обнаружить при помощи астрономических инструментов того времени. Интерес к нейтронным звёздам усилился в 1960-х годах, когда начала развиваться рентгеновская астрономия, так как теория предсказывала, что максимум их теплового излучения приходится на область мягкого рентгена. Однако неожиданно они были открыты в радионаблюдениях. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка Э. Хьюиша, открыла объекты, излучающие регулярные импульсы радиоволн. Этот феномен был объяснён узкой направленностью радиолуча от быстро вращающегося объекта — своеобразный «космический радиомаяк». Но любая обычная звезда разрушилась бы при столь высокой скорости вращения. На роль таких маяков были пригодны только нейтронные звёзды. Объект PSR B1919+21 считается первой открытой нейтронной звездой.

На Земле излучение нейтронных звезд наблюдается в форме периодических сигналов. Астрономы выяснили, что у этого излучения естественное происхождение. Его строгая периодичность обеспечена особенной траекторией распространения. Дело в том, что нейтронная звезда излучает не во все стороны, как обычные звезды, а в форме узкого луча или веера. Вращаясь, нейтронная звезда, как маяк, просвечивает этим лучом космос. Поэтому радиоизлучение нейтронных звезд и наблюдается в виде ярко выраженных периодических пульсаций, оттого такие объекты и называются Пульсары.

Быстрое вращение пульсара объяснить проще. Все звёзды вращаются и, соответственно, имеют угловой момент, который сохраняется и при сильном уменьшении радиуса звезды. Уменьшение радиуса ведёт к пропорциональному увеличению скорости вращения.

Но что же является источником радиоизлучения нейтронной звезды? Ведь она состоит из нейтронов, а нейтроны электрически нейтральны и не могут участвовать ни в каком электромагнитном взаимодействии. Совершенно точно, не могут, но, как я уже сказал, на внешнем слое нейтронной звезды (примерно 1 км толщиной) давление не настолько сильное, чтобы материя деградировала, и в этом слое сохраняются протоны и электроны. Их вращение формирует магнитное поле, из полюсов которого и испускается электромагнитное излучение. За счёт потери этой энергии, вращение пульсара замедляется, и он «выключается». Это происходит достаточно быстро (примерно за 10-100 млн. лет), и большинство (99%) пульсаров, образовавшихся за время существования нашей Вселенной уже «выключились».

Нейтронные звёзды представляют большой интерес, так как по своему состоянию они являются самыми близкими к чёрным дырам объектами. Их гравитация настолько высока, что, если бы мы смотрели на них, то из-за релятивистского отклонения света мы бы видели больше половины их поверхности:

Многое в отношении нейтронных звёзд ещё предстоит узнать. Будем надеяться, что с появлением таких инструментов, как LIGO, и LISA мы ещё удивимся не одному открытию.

Так бы и спорили, пока в 1897 году ещё один англичанин Джозеф Томсон не догадался поставить рядом магнит, и не увидел, что луч отклоняется. Он прикинул, какой массой должна обладать частица, отклоняющаяся на заданное расстояние при известной силе магнита. Оказалось, что она весит в ~1800 раз меньше, чем масса легчайшего известного атома – водорода. Так был открыт электрон – первая субатомная частица. Разумеется, слово атом (неделимый, ха!) менять уже не стали.

Томсон предложил идею сливового пудинга – есть положительно заряженное что-то, а в него понатыканы открытые им электроны:

Тем временем в Германии…

Картинка в первой лучевой трубке (ага, телевизоре) была «не ахти», но это всё равно было лучше, чем ничего, рассудил немец Вильгельм Конрад Рентген, и подставил под катодные лучи руку своего знакомого, получив первый в мире рентгеновский снимок:

Рентген позанимался новой игрушкой год, да и забросил. Интересующимся он отвечал: «Я уже всё написал (про Х-лучи), не тратьте зря время».

Но француз Антуан Анри Беккерель не унимался. Ему пришла в голову мысль: не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами? Для проверки своей догадки он взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана, фосфоресцирующую жёлто-зелёным светом. Осветив её солнечным светом, он завернул соль в чёрную бумагу и положил в тёмном шкафу на фотопластинку, тоже завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Но люминесцентное излучение не могло пройти через чёрную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом.

2 марта 1896 Беккерель доложил об этом открытии на заседании Парижской Академии наук, озаглавив свою работу «О невидимой радиации, производимой фосфоресцирующими телами».

«Хм, а это занятно», подумал английский новозеландец (или новозеландский англичанин) Эрнест Резерфорд (по прозвищу «Крокодил», нет, правда, так его называл советский физик Пётр Капица, который у него работал), подумал, да и пропустил радиоактивный поток через магнитное поле:

1 — радиоактивный препарат, 2 — свинцовый цилиндр, 3 — фотопластинка.

На фотографии он увидел, что пучок распадался на три части. Две составляющие первичного излучения отклонялись в противоположные стороны, что указывало на наличие у них зарядов противоположных знаков. Третья составляющая сохраняла прямолинейность распространения. Излучение, обладающее положительным зарядом, получило название альфа-лучи, отрицательным — бета-лучи, нейтральным — гамма-лучи. Но это сейчас не важно. Важно то, что, помимо всего прочего, он дал позабавиться своим лаборантам Эрнсту Марсдену и Хансу Гейгеру (тому самому, которым ещё счётчик назвали) с золотой фольгой, и вот что получилось:

Ждали, что альфа-частицы будут беспрепятственно проходить сквозь фольгу, однако они то и дело отскакивали. Необъяснимое, количество альфа-частиц рассеивалось на большие углы, что свидетельствовало о том, что центр рассеяния имеет небольшие размеры, в нём сосредоточен значительный электрический заряд и масса атома. Это неспроста, подумал Резерфорд, и начал считать. Получилось, что внутри атома электроны, стало быть, не плавают в положительно заряженном тумане, а болтаются вокруг крохотного ядра. Это было в 1913 году.

Резерфорд продолжал опыты и к 1919 году, стреляя альфа-частицами в воздух, смог доказать, что так или иначе, ядро атома водорода присутствует во всех других атомах. Это была первый задокументированный случай в истории ядерной реакции, проведённой человеком. Поскольку в воздухе полно азота, альфа-частица попадала в атом азота, превращая его в атом кислорода 17. Замечательным было то, что от удара из атома вылетало ещё и ядро атома водорода, который назвали протон (греч. πρῶτος — первый, основной).

¹⁴N + α → ¹⁷O + p

Ну, и именно благодаря Резерфорду мы теперь имеем вот это:

Иначе говоря «Планетарная модель атома», которая устарела, не успев появиться на свет. Но и теперь, спустя 100 с лишним лет, когда кому-то надо нарисовать атом, рисуют вот эти вот три овальчика. В этой модели вокруг центрального и относительно маленького положительно-заряженного ядра подобно планетам вращались отрицательно-заряженные электроны.

Но что-то по-прежнему не сходилось. Атомы имели нейтральный электрический заряд, а если просто сложить массы протонов так, чтобы их заряд уравновешивал заряд электронов, то атомы должны были быть гораздо легче. Это не соотносилось с атомными весами элементов, которые были известны уже под сотню лет, со времён Дальтона.

Интрига тянулась до 1932 года, когда англичанин Джеймс Чедвик подтвердил существование последней составляющей атома – нейтрона, но это уже совсем другая история.

Вообще сам Резерфорд понимал, что не всё так гладко с его моделью. Если б всё было так, то непонятно, почему электрон не падает на ядро, ведь, двигаясь по «орбите» (а это движение с ускорением), электрон должен был терять кинетическую энергию и испускать фотоны…

Тут нужно сказать, что незадолго до этого момента Макс Планк наделал много шума со своими квантами. Он предположил, что свет (электромагнитное излучение) может передаваться не как угодно, а лишь определёнными порциями «квантами». Так он придумал константу имени себя h, которая связывала энергию световой частицы (фотона) с его частотой. Заметили? У частицы появилась частота, как у волны. Ну, и как бы намекнул, что фотон – это и частица и волна одновременно.

На сцене появляется ещё один человек – Нильс Бор, сын банкира, брат серебряного финалиста сборной Дании по футболу на Олимпиаде 1908 г., да и сам футболист. Его рассуждения были просты – надо не отрицать очевидное, а смириться с ним. Раз атом стабилен, значит, электроны, находясь на определённых «орбитах», стабильны и не излучают.

Слева свет беспрепятственно попал на призму и разделился на непрерывный спектр. Справа сверху свет проходит сквозь облако газа, и спектр получился с тёмными полосками (часть световых волн была поглощена). Снизу газ уже не подсвечивается, по мере того, как газ остывает, мы увидим отдельные цветные полоски – это фотоны, которые излучает остывающий газ. Думаю, все видели, как светится нагретый кусок металла, здесь природа такая же.

Ещё покрутив туда-сюда формулы, Бор так же обнаружил, что электроны могут иметь только такую энергию, при которой их момент импульса равен только целому числу констант Планка. То есть, рассудил Бор, электрон может иметь только определённые, «разрешённые» уровни энергий. Если электрон встречается с фотоном нужной энергии (с нужной длиной волны), он сможет его поглотить и перескочить «вверх» на следующий уровень, а если энергии будет чуть больше или чуть меньше, то ничего не произойдёт. И наоборот, поскольку электрон может перескочить только на «разрешённый» уровень, значит, и отдать он должен фотон лишь определённой энергии (частоты):

Если посмотреть на спектры эмиссии и поглощения водорода, можно будет рассчитать уровни энергии для всех возможных переходов с уровня на уровень для любого атома. Внизу на картинке – пример с водородом:

Модель Бора отличалась от модели Резерфорда лишь «закреплением» определённых «разрешённых уровней возбуждения, однако объяснить природу подобных запретов она не смогла. Не была эта модель и универсальной: для атомов, похожих на водород, она ещё могла предсказать их строение, которое соотносилась с экспериментальными данными, однако для других атомов, предсказания по модели Бора серьёзно отличались от данных, полученных на спектрометре. А разгадка одна – Бор пользовался классической теорией Максвелла, и не догадался применить квантование на массивные частицы (так как это сделал Планк для фотонов – частиц, не имеющих массы)…

А вот француз Луи Де Бройль смог!

И вот, что он придумал – он сказал, «пусть электрон тоже будет волной»! Тогда получается всё просто, никто электронам ничего не разрешает и не запрещает, просто на «орбите» должно вместиться целое число волн:

От Де Бройля действительно потребовались чудеса нестандартного мышления, чтобы в то время приписать волновые свойства электрону – явно частице, имеющей массу и заряд. Но и его модель атома страдала той же проблемой – почему отрицательный электрон просто не «падает» на положительное ядро? В рамках классического механики, подобное движение по «орбите» непременно должно было заставить электроны отдать всю свою энергию и упасть.

Ответ стал очевидным в 1926 году для австрийца Эрвина Шрёдингера – наверное, этого не происходит потому, что никаких «орбит» не существует, а электроны не вращаются! Если электроны – это волны, причём такие, которые могут «квантоваться», то есть существовать лишь определёнными «порциями», то почему бы нам не воспринимать вообще ВСЕ известные частицы как волны?

Раз так, нам понадобится какое-то новое уравнение вместо уравнений Ньютона, которое смогло бы помочь предсказать их поведение. Что-то вроде уравнений Максвелла, только для всех частиц!

Мы назовём нашу волновую функцию ψ Мы возьмём полную энергию частицы H, которую назовём Гамильтониан (Hamiltonian) и посмотрим, как она изменяется за время t:

Это уравнение будет содержать все волновые формы частицы. Собственно, это и есть знаменитое уравнение Шрёдингера в его наиболее общей форме.

Внимание, ОБМАН! Картинка с волнистыми траекториями не отражает действительное положение вещей и всё сильно упрощает. Никаких волнистых траекторий электрон на самом деле не описывает. А что же тогда «волнуется», что это за волны такие?

На что немец Макс Борн в том же 1926 году со всей ответственностью заявил: это волны вероятности! Вероятность нахождения электрона в том или ином месте. Здесь необходимо вспомнить отца квантовой механики Вернера Гейзенберга и его принцип неопределённости (ссылка на пост про него) – если вы знаете импульс частицы (куда она летит), вы не знаете, где она находится, если же вы знаете её месторасположение, вы не знаете её импульса. Все промежуточные состояния можно оценить только с определённой ВЕРОЯТНОСТЬЮ.

В конечном счёте мы приходим к неутешительному выводу, атом может выглядеть практически как угодно. На рисунке ниже показаны все возможные конфигурации нахождения электрона в простейшем атоме водорода. Более ярким цветом выделены области, где вы с наибольшей вероятностью сможете найти электрон, однако это не значит, что он там есть.