Что не так с фотографиями атомов?

Физика частиц воспринимается обычно довольно сложно, поскольку построена на математических моделях и отталкивается от некоторого умозрительного представления исследуемого объекта. Это приводит к тому, что обязательно появляется некто, громко заявляющий «ничего этого не существует!» и изыскания эти порой относятся не только к экстравагантным субатомным частицам типа кварков, но и к хорошо известным атомам.

Тут мы можем блеснуть самоуверенностью и сказать, что атомы давно сфотографированы и это уже часть научного знания. Есть вот такие фотографии атомов, а есть и другие. Вы наверняка видели в интернете самые разные изображения известной частицы. Если есть фотография, то и существование частицы не должно вызывать сомнений. Вот только если рассматривать вопрос более детально, то в широком смысле фотографии атома не являются подтверждением его существования и не являются как таковым изображением частицы. Что с ними не так и неужели на радость любителям теорий заговоров уместно говорить, что атомов и правда не существует?

Вопрос очень глубокий и интересный. Начнём с простой истины — атом невозможно сфотографировать в прямом смысле этого слова.

Дифракционный предел Абе

Из-за дифракции (огибания волнами препятствий) свет не может быть сфокусирован на мелких объектах. Когда свет проходит через линзу микроскопа, он рассеивается, формируя дифракционный узор. Разрешение микроскопа ограничено размером центрального пятна этого узора (диска Эйри). Так уж получилось, что даже атом с большим радиусом оказывается меньше, чем длина волны видимого света и достигается дифракционный предел. Свет просто огибает объект и его невозможно разглядеть.

Получается, что и стандартная фотография в привычном смысле тут не работает. Сфотографировать атом на обычный фотоаппарат технически невозможно. Это как ловить головастиков крупной сеткой. Они просто выскальзывают через ячейки. Но мы ведь видим в интернете фотографии атомов. Что это тогда такое?

Основные методики «фотографирования» атома

В широком смысле слова те фотографии, которые мы часто видим в интернете и научно-популярных журналах — это цифровые изображения, воссозданные из данных.

Начиналось всё с простых моделей, где математическое упорядочивание структуры материала шло впереди получения реального изображения. Появились странные фотографии, которые и картинками-то не назовёшь. Это результат дифракции излучения и обозначение карты рефлексов. Этот метод не имеет ничего общего с реальной фотографией и представляет собой распределение излучения при взаимодействии с кристаллической решеткой. На картинку попадают именно рефлексы, а соответствие высчитывается исходя из ожидаемого распределения. Например, если мы ищем железо, то понимаем, что рассеивание не его кристаллической решётке должно дать такую-то карту распределения бликов. Явление можно сравнить с попаданием света на какой-то прозрачный предмет с гранями. Вы наверняка замечали, как от стеклянного графина правильной формы расходятся по стене разные блики при солнечном свете. Если графин заменить кристаллической решёткой, а свет — подходящими лучами, то это и будет то, что долгое время называлось изображением атомной структуры.

Чуть позже появился более продвинутый способ разглядывания атомов. Учёные заметили, что если использовать вместо видимого света поток электронов, то возможно просвечивать образец и даже получать вменяемое отражение объекта, выходя за предел Абе для видимого света. Речь идёт про электронную микроскопию. Пучком электронов со структурой взаимодействовали аналогично видимому свету и там, где был атом, получали изображение чего-то. С ростом эффективности фиксации данных и совершенствованием цифровых систем, удалось воссоздать изображение очень точно. Получился классический пример тех самых шариков, которые есть на всех современных фотографиях. Это не прямая съемка, а результат обработки электронных данных и в общем смысле неправильно говорить, что мы сфотографировали атом.

Ещё на практике применяется довольно популярный метод, построенный на использовании специального щупа. Этим щупом микроскоп «трогает» поверхность и записывает её топологию. Размеры щупа позволяют так обработать атом, что по данным можно воссоздать и его внешний вид. В большинстве случаев результат получается таким же, как и при просвечивающей микроскопии. Какой-то непонятный шарик. И вновь это не фотография текстуры. Метод напоминает процесс входа в речку жарким днём. Мы аккуратно идём по дну и щупаем перед собой поверхность, чтобы случайно не наступить на гвоздь или разбитую бутылку, которые вполне могут оказаться там, если пляж часто посещается. Технически мы могли бы даже «нарисовать» таким образом дно, фиксируя в табличке результат ощупывания.

Получается, что фотографий атомов просто не существует. Есть более современные методы исследования, но и они не сильно отличаются по смыслу. Не будет ошибкой сказать, что мы никогда не видели атом.

Тогда что на этих картинках?

Вопреки ожиданиям и выбранному тону статьи, существование сейчас атома не вызывает никаких сомнений. Вот только нужно понимать, что это не совсем тот объект, который мы ожидаем увидеть.

История развития знаний об атоме начинается с самых смелых гипотез Демокрита и, в дальнейшем пудинга, с изюмом, и кончается современным знаниями. Всё это время шаг за шагом учёные шли к осознанию этой сущности. Нужно сказать, что процесс это довольно успешный. Знания специфики атома и его строения пригодились во всех областях знаний и используются как в металловедении, где это позволяет получать разные интересные сплавы, так и в электронике. Вот только к атому принципиально неприменимы стандартные для нас категории. У него нет точного размера, нет однозначной формы. Поверхность атома невозможно описать. Сфотографировать его не получится.

В конечном итоге, не будет преувеличением сказать, что атома и правда не существует. Но не спешите радоваться. Это значит лишь, что его не существует в качестве физического объекта, который мы ожидаем увидеть. Это полноценная полезная модель, которая описана достаточно качественно и даже исчерпывающе.

Именно то, что описывается моделью атома, мы видим и на фотографиях. Это некоторая область пространства, в которой существует изучаемая частица. Она действительно выглядит как шарик, если пытаться просвечивать её потоком электронов в материале. Она действительно будет отвечать форме сферы, если пытаться ощупать её электронным щупом. Но это не тот атом, который описывает модель Резерфорда с современными её дополнениями. Это всё та же странная квантовая частица, которая лишена стандартных признаков и мы видим что-то типа её тени. Задача визуализации атома на самом деле чрезвычайно интересная и многогранная. Но увы, современная наука не может просто взять и сфотографировать атом.

Закончу статью интересной фразой — сегодня наличие изображения атома представляет только лишь объект для удовлетворения научного любопытства. Модель настолько хорошо проработана, что даже если бы никогда не удалось нащупать форму атома или визуализировать эти странные шарики, она не потеряла бы своей научной ценности.