«Течет» ли электричество?. Внутри атомного ядра

«Течет» ли электричество?

В повседневной жизни постоянно приходится сталкиваться с одним из аспектов электромагнетизма — электричеством. Оно играет фундаментальную роль в функционировании организма человека. В частности, мозг и нервная система используют электрические импульсы как средство коммуникации и контроля действий тела. От них зависит и ритм сердца.

Болшинство уроков в школе, на которых нас знакомят с электричеством, состоит из манипуляций с батареями, лампочками и проводами, но, даже усвоив необходимые навыки, мало кто понимает, что же на самом деле представляет собой электричество. И в этом нет ничего удивительного. Электричество, как и многие другие изобретения, вошедшие в наш быт, работает на квантовом уровне, противоречащем здравому смыслу.

Электричество часто описывают, пользуясь аналогией с потоком воды, но это очень неудачное сравнение. Если бы оно текло по проводам, словно вода по трубам, нам приходилось бы чем‑ то затыкать розетки, когда в них нет надобности, чтобы электричество не вытекало из них. Из‑ за этой аналогии мы до сих пор пользуемся такими терминами, как ток (от слова «течь»), электронный вентиль и т. п.

Электрический ток возникает вследствие того, что проводники (обычно металлические) имеют свободные электроны, которые являются общими для нескольких атомов и «плавают» в межатомном пространстве. Предположим, мы подаем положительный заряд на правый конец металлического провода. Все свободные отрицательно заряженные электроны должны были бы устремиться к нему. Но тут возникает проблема. Если все электроны скопятся в правом конце, то в левом будет наблюдаться их дефицит. Отсутствие электронов будет означать, что левый конец приобретает положительный заряд и начинает, в свою очередь, притягивать к себе электроны. Только в том случае, если мы снабдим левый конец недостающими электронами, в проводнике возникнет направленный ток. Таким образом, в отличие от воды, электричество «течет» только при наличии замкнутой цепи.

К сожалению, люди, разрабатывавшие модель электрического тока, еще не знали об электронах. Они по собственному усмотрению определили, куда должно течь электричество, и в результате оказалось, что оно прямо противоположно истинному направлению, то есть не совпадает с движением электронов.

Еще одно несходство с водой заключается в том, что электроны, в соответствии с этой устаревшей моделью, должны двигаться вдоль проводника, чтобы создавать ток. Если бы это действительно было так, то, включив электрическое устройство, нам пришлось бы довольно долго ждать, пока оно заработает. В действительности же электрический свет включается мгновенно, стоит только щелкнуть выключателем. Если измерить скорость электронов в проводнике, то окажется, что они движутся даже медленнее пешехода (на самом‑ то деле их скорость огромна, но они больше топчутся на месте и значительная часть их противоположно направленных движений взаимно компенсируется, однако в итоге они постепенно передвигаются по направлению к положительному полюсу).

Из заряженной батареи исходит не пучок электронов, а электромагнитное поле, управляющее электромагнитной энергией. Вот оно‑ то и распространяется со скоростью света. Эта невидимая волна (поток фотонов) приводит в движение электроны, которые уже находятся в лампе накаливания, и свет тут же зажигается. Электронам необязательно проделывать для этого весь путь по проводам от батареи до лампочки.

Электромагнетизм участвует во всех видах взаимодействия между светом и материей. Его действие проявляется не только в случае соприкосновения двух тел или в ходе работы электрических устройств. Без электромагнетизма мы не могли бы ничего видеть, а энергия Солнца не смогла бы пересечь космическое пространство, чтобы обогреть Землю.

Внутри атомного ядра

Для полноты картины мы должны вкратце рассмотреть две оставшиеся силы, существующие наряду с гравитацией и электромагнетизмом. Они так же важны для нашей жизни, но не столь очевидны. Самой мощной из них является сила, носящая название «сильное взаимодействие». По своей мощи она превосходит даже электромагнетизм. Без нее все атомы тела человека разлетелись бы на составляющие компоненты.

Сильное взаимодействие внутри ядра атома удерживает вместе положительно заряженные протоны. Электромагнитная сила пытается оттолкнуть их друг от друга, а сильное взаимодействие противостоит этому, иначе все атомы мгновенно распались бы.

Если бы сильное взаимодействие зависело от квадрата расстояния между объектами так же, как гравитация или электромагнетизм, нам всем пришел бы конец. Все ядра атомов во Вселенной начали бы неудержимо стремиться друг к другу. Но, к счастью, его сила по мере удаления убывает намного быстрее. На расстоянии всего 10—15 м от протона или нейтрона она практически равна нулю. Именно поэтому в природе не встречаются сверхмассивные атомы. Ядро любого атома, превосходящее по размерам атом урана, неизбежно распадается.

Но это только половина истории. Обеспечение стабильности ядра атома представляет собой лишь своего рода побочный эффект сильного взаимодействия, так как его основная функция заключается в «склеивании» кварков. Протон и нейтрон состоят из трех кварков, а удерживает их вместе именно сильное взаимодействие. В отличие от всех других сил, сильное взаимодействие в пределах своих границ не ослабевает по мере удаления объектов друг от друга, а, наоборот, усиливается. Пока кварки находятся внутри ядра атома, они могут свободно двигаться, но, как только какой‑ то из них пытается покинуть ядро, сильно взаимодействие тут же возвращает его на место. Поэтому разбить протон или нейтрон на составляющие практически невозможно.