Пустоты не существует: что находится между атомами и внутри них с точки зрения современной физики

Квантовая механика против философской идеи абсолютной пустоты.

В комментариях к одной новости пользователь TJ поинтересовался, что находится вокруг атомов. Все твёрдые и осязаемые тела состоят из вещества, собранного в атомах и молекулах, но между частицами есть пространство, в котором как будто бы ничего нет. Если следовать этой логике, то окажется, что и сами атомы состоят из пустоты.

Внутри атомов находятся электроны — точечные частицы, которые не имеют размеров, а ядро атома примерно в 10 тысяч раз меньше самого атома. Выходит, что любой атом почти целиком состоит из пустоты — почти всё вещество атома сосредоточено в его ядре. Ядро, в свою очередь, состоит из нейтронов и протонов, а они сложены из ещё более элементарных частей, которые называются кварками. И кварки тоже не имеют размеров — это просто точки.

Подобные рассуждения исходят из неверных допущений. На самом деле пустоты не существует — на уровне микромира (одной триллионной доли миллиметра) есть как минимум три явления, которые делают размышления о пустоте бессмысленными.

Поведение молекул, атомов и отдельных частиц вроде нейтронов и протонов описывает квантовая механика со своими законами. Одно из основных правил квантовой механики — принцип неопределённости Гейзенберга. В вольной трактовке он звучит так:

Это ограничение фундаментально, оно не зависит от качества измерительных приборов. Чтобы как можно точнее определить скорость частицы — нужно пронаблюдать за ней какое-то время. В таких условиях о местоположении частицы можно сказать лишь «ну, её можно обнаружить где-то в этой области».

Принцип неопределённости — следствие двойственной природы любых частиц вещества. Тот же электрон — одновременно и частица, и волна. Как всякая волна, он «размыт» в пространстве. Поэтому в атоме его изображают не точкой, а целым облаком. Там, где яркость облака ниже — электрон находится реже, но вероятность его нахождения там никогда не равна нулю.

Когда атомы собраны в молекулы, их электронные облака могут пересекать и перекрывать друг друга. Так что невозможно с уверенностью говорить о том, что между атомами — абсолютно пустое пространство. Там всегда может оказаться электрон. Принцип неопределённости может «забрасывать» его даже в самые «неудобные» области, просто вероятность этого крайне мала.

Существуют «фотографии» и даже целые «видеозаписи» атомов, где они выглядят как чётко очерченные шарики. Но это не настоящие изображения атомов как они есть, а всего лишь визуализации, построенные на собранных данных. На таких визуализациях местоположение и границы атомов всегда изображаются «в среднем». Иначе понятная картинка превратилась бы в расплывчатую кашу.

Впрочем, даже большие тела не избавлены от квантовой «расплывчатости», просто их волновая составляющая так сильно сокращается, что становится незаметной. Но её можно засечь высокоточным оборудованием. Так, в обсерватории LIGO с помощью лазеров учёные зафиксировали квантовое «дрожание» 40-килограммового зеркала — оно колебалось в пределах одной миллионной одной миллиардной миллиметра.

Пусть электрон с ненулевой вероятностью может проявиться где угодно — всё-таки в атоме есть «тёмные» области, где вероятность нахождения электрона крайне мала. То есть, в этих областях большую часть времени нет никаких электронов, как и протонов, как и нейтронов. Значит, там абсолютно пусто?

И снова нет. Даже в самой «тёмной» области между ядром атома и его электроном есть нечто вполне материальное — «привязь», с помощью которой ядро удерживает электрон в атоме. Эта «привязь» — поток виртуальных фотонов, которые безостановочно снуют между ядром и электроном.

Виртуальные частицы так называются, потому что их нельзя зафиксировать напрямую. Они слишком быстро исчезают, распадаясь или превращаясь в другие частицы примерно за одну триллионную одной триллионной доли секунды. Расстояние, на которое они успевают переместиться, сравнимо с их «расплывчатостью» из-за принципа неопределённости. Это позволяет виртуальным частицам нарушать некоторые законы физики.

Эти «неправильные» частицы поистине вездесущи — они безостановочно рождаются и тут же исчезают во всех точках пространства: и между атомами, и внутри атомов, и даже внутри микрочастиц. Более того, они успевают «передать информацию» от одной реальной частицы к другой, если те находятся достаточно близко. Как в случае с электроном и протоном в ядре атома.

Внутри самого протона роль виртуальных частиц становится ещё более заметной. Протон состоит из кварков — фундаментальных частиц, которые скреплены между собой «клеем» из виртуальных глюонов, частиц-переносчиков сильного взаимодействия. Там же, прямо внутри протона «бушует море» виртуальных кварков, которые постоянно появляются и исчезают, внося некоторый вклад в массу протона.

Существование таких частиц может показаться странным и неестественным: как что-то природное может нарушать законы самой же природы? Причина — в принципе неопределённости. На очень малых расстояниях и промежутках времени некоторые физические пропорции могут «сломаться», потому что энергия, масса, импульс как бы не успевают принять определённых значений.

Двойственность материи, где электрон или фотон одновременно частица и волна, может показаться очень надуманной и неуклюжей концепцией. Это вина квантовой механики: при всей математической точности она довольно плохо описывает суть материи, потому что пытается «скрестить ежа с ужом» — классическую (макроскопическую) картину мира с микроскопической.

Но можно «спуститься на уровень ниже» и перейти к квантовой теории поля — она полностью отметает классические представления о реальности. В этой теории уже нет частиц как отдельных точек или очень маленьких шариков. Всё существующее здесь представлено в виде квантовых полей, а любые частицы — лишь как возмущения этих полей, локальные всплески энергии.

В таком случае, идея абсолютной пустоты отпадает как несостоятельная, даже если закрыть глаза на неопределённость положения реальных частиц и на постоянное «бурление» виртуальных частиц. Любое квантовое поле — совершенно монолитная материальная сущность, которая заполняет собой каждую точку пространства и имеет в каждой точке ненулевую энергию — энергию вакуума.

Такой подход позволяет иначе взглянуть на существование виртуальных частиц. Из-за принципа неопределённости поля постоянно колеблются, создавая иллюзию рождения частиц. Далеко не всегда это нормальные, полноценные частицы. Как правило, колебания полей порождают «дефективных уродцев» с «поломанными» свойствами. В нашей Вселенной такие частицы долго не живут — они-то и называются виртуальными.

Чем ближе свойства рождённой частицы к «физическому идеалу» — тем дольше она живёт. Тем частицам, что называются реальными, просто повезло иметь нормальные, пропорциональные свойства, которые соответствуют законам физики. Поэтому разница между реальными и виртуальными частицами — чисто количественная. По сути, всё это одно и то же, только первые проходят «естественный отбор», а вторые — нет.

Квантовые поля буквально «вшиты» в само пространство и заполняют его. В каком-то смысле, это и есть настоящая, фундаментальная материя нашей Вселенной. То, что люди привыкли видеть в повседневной жизни — лишь волновая «рябь» квантовых полей. Считать, что между частицами ничего нет — всё равно, что смотреть на горные вершины и думать, что между ними бесконечная пустота, только потому что пелена облаков скрывает землю внизу.

Понятие пустоты в физике вообще довольно условно, что демонстрирует эффект Унру. Его описание гласит: если начать достаточно быстро ускоряться, то из «пустоты» внезапно появятся частицы тёплого газа. То есть, «пустотность» окружающей среды зависит от ускорения наблюдателя, что совсем уж непривычно и полностью противоречит человеческой интуиции.

И пусть эффект Унру до сих пор не подтверждён на опыте — он хорошо показывает, насколько беспомощными могут быть попытки человека судить о пустоте и материи за пределами своей повседневной реальности, которая составляет очень и очень небольшую часть Вселенной.

#физика #лонгриды #разборы