Помнится, одной из самых эффектных иллюстраций в школьном учебнике физики советских еще времен было изображение кристаллической решетки какого-то вещества. Этот снимок был сделан с помощью электронного микроскопа, лишь такие приборы в те времена позволяли хотя бы приблизительно увидеть строение материи на молекулярном уровне. Правда, рассмотреть отдельные атомы на той иллюстрации вряд ли было возможно, хотя очень хотелось. Но хватало и того, что пресловутая решетка кристалла, о которой так долго говорили учителя, все же действительно чем-то напоминала те решетки, что встречались в реальной жизни.

Школьному изучению жизни атомов, протонов и электронов сильно мешает то, что для обычного человека эти объекты остаются совершеннейшими абстракциями. Наглядные пособия, где элементарные частицы изображаются шариками, а связи между ними -- обычными черточками, мало помогают. Ученому, возможно, вполне достаточно знать, что электрон обладает определенным весом, зарядом, сроком жизни и прочими характеристиками, -- этих цифр вполне достаточно для экспериментов и расчетов. Но любопытствующему неспециалисту этого явно маловато. Раз уж считается, что большую часть информации о внешнем мире мы получаем с помощью зрения, то хотелось бы все-таки увидеть то, о чем ты в детстве или юности читал в учебнике.

Иногда ученые действительно позволяют всем желающим простым гражданам увидеть те микроскопические объекты, с которыми они работают. За подобную наглядную демонстрацию, к примеру, в этом году даже Нобелевскую премию по химии дали: американец Роджер Корнберг получил свои миллионы шведских крон за рентгенографические снимки процессов работы ДНК (об этом подробнее см. Номер 182 за 5 октября). Однако двойная спираль ДНК -- молекула весьма крупная и -- что в прямом, что в переносном смысле -- заметная. Так что, несмотря на потрясающее инженерное и фотографическое мастерство Корнберга, сделавшего действительно впечатляющие рентгенографические картинки, элементарных частиц, равно как и отдельных атомов, на его снимках не видно.

Впрочем, в буквальном смысле «увидеть» какой-нибудь протон, пожалуй, даже теоретически вряд ли возможно: суровые законы физики этому воспротивятся (даже длина волны видимого света в несколько тысяч раз больше, чем размеры небольших молекул). Но вот сделать свойства элементарных частиц видимыми -- задача, как оказалось, вполне реальная. Ученые из гейдельбергского Института ядерной физики им. Макса Планка смогли даже снять «видеоролик» из жизни пары атомов водорода. Слово «видеоролик» не зря тут стоит в кавычках: представленные физиками движущиеся картинки не имеют никакого отношения к видимому свету. Для создания этого фильма инженерам пришлось использовать лазерное излучение.

В качестве объекта съемки немцы взяли молекулу водорода -- самую маленькую и легкую из существующих в природе молекул. Впрочем, обычный водород кастинг не прошел: оказалось, что он отличается чересчур энергичным характером. Поэтому подобрали атомы дейтерия -- тяжелого изотопа того же водорода. Он вдвое более тяжелый, поскольку в его ядре помимо одного протона есть еще и нейтрон. И стабильную молекулу дейтерия, состоящую из двух атомов, режиссеры начали «накачивать» сверхкороткими лазерными импульсами.

Эксперимент требовал очень точной калибровки исследовательской техники. Нужно было добиться того, чтобы длительность лазерного излучения составила 6--7 фемтосекунд (одна фемтосекунда -- это промежуток времени в тысячу миллиардов раз меньший, чем секунда). За время такого сверхкраткого импульса свет успевает проползти лишь пару тысячных долей миллиметра. Наверное, еще сложнее было так настроить регистрирующую аппаратуру, чтобы она успевала регистрировать изменения в состоянии атомов дейтерия. Дело в том, что за эти мгновения в молекуле успевали произойти весьма серьезные события.

Первый импульс лазера вышибал из молекулы один из электронов, стабильность нарушалась, ядра отодвигались друг от друга, начинали вибрировать и вращаться. Второй импульс добивал эту пару атомов, лишая их последнего электрона. На месте молекулы образовывались два положительно заряженных ядра дейтерия, отталкивающихся в разные стороны. Эта конструкция, как выразились авторы пресс-релиза, выпущенного Обществом Макса Планка, «взрывалась», причем энергия процесса зависела от того, как близко друг к другу располагались ионы.

Состояние атомов измерялось на протяжении приблизительно 800 фемтосекунд. Позже несколько последовательных «снимков» были смонтированы в единую «фемтометражку» (http://www.mpg.de/video/movie_D2.avi). Молекула дейтерия в начале процесса представлена яйцевидным ярко-красным пятном. После лазерных импульсов это пятно разделяется, картинка становится дрожащей. Как объясняется, приблизительно через 100 фемтосекунд волновой пакет (положение) ядер становится неопределенным, через 400 фемтосекунд состояние «актеров» становится прежним. Чем-то эти колебания красного овала напоминают биение человеческого сердца, хотя, конечно, эта аналогия крайне приблизительна.

Сообщается, что в будущем члены гейдельбергской исследовательской группы (среди них есть, по-видимому, и наш бывший соотечественник Артем Руденко) планируют создать подобные ролики и для процессов химических реакций, происходящих в более крупных молекулах. В качестве актера сейчас предполагается использовать метан, где помимо водорода есть более крупный атом углерода.