{"id":734,"title":"\u0412\u043e\u0437\u043c\u043e\u0436\u043d\u044b \u043b\u0438 \u0440\u043e\u043c\u0430\u043d\u0442\u0438\u0447\u0435\u0441\u043a\u0438\u0435 \u043e\u0442\u043d\u043e\u0448\u0435\u043d\u0438\u044f \u0432 \u043a\u043e\u0441\u043c\u043e\u0441\u0435","url":"\/redirect?component=advertising&id=734&url=https:\/\/vc.ru\/promo\/259126-open-talk&hash=fec332d96351537fb9302c3be12200b6afa110f6576560c55c0b83e05d1505b7","isPaidAndBannersEnabled":false}
Наука
Никита Логинов

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

Квантовая механика против философской идеи абсолютной пустоты.

Одна из «фотографий» атомов в электронный микроскоп Изображение Корнельского университета

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.

Примерно так атом выглядит на самом деле — миниатюрное ядро в центре электронного облака, а между ними как будто бы ничего нет Скриншот с видео MEL Science

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.

Вещество не имеет чётких границ и вообще состоит из волн

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:

Нельзя с одинаковой точностью узнать местонахождение частицы и её скорость. Чем больше определена скорость частицы — тем более размыто её местоположение, и наоборот.

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.

«Расплывчатость» микрочастиц это не допущение, продиктованное несовершенством научного оборудования, а фундаментальное свойство материи. Электрон — точечная частица, но только когда его зафиксировали (измерили). Пока электрон не зафиксирован — он «расплывается» как волна. Электрон не летает точкой где-то в этой волне — он и есть волна с неопределёнными границами и размерами.

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.

Электронные облака атома водорода на разных уровнях энергии электрона Изображение Wikimedia

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.

Чем масштабнее вещественное тело — тем определённее его границы и местоположение. Поэтому отдельная частица может «заполнить собой» целую комнату (и даже Вселенную, это не запрещено), а тела, которые состоят из огромного числа частиц (стулья, машины и дома), не расплываются и занимают вполне конечное и определённое место.

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.

Виртуальные частицы — «клей» мироздания

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.

«Нормальные» частицы вроде реальных электронов и фотонов подчиняются базовым законам физики — их импульсы однозначно связаны с энергией, а энергию они не могут брать из ниоткуда. Но виртуальные частицы могут появляться сами по себе вопреки закону сохранения энергии, могут иметь отрицательную или мнимую массу. Всё это — полная бессмыслица с точки зрения физики. Тем не менее, есть масса признаков существования виртуальных частиц.

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.

Схема строения протона — реальные кварки, виртуальные кварки и виртуальные глюоны. Численные масштабы не соблюдены Изображение CERN

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.

Весь мир как возмущения квантовых полей

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.

Фотон и электрон как возмущения квантового поля Скриншот с видео Fermilab

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.

Типичная диаграмма Фейнмана, которая изображает взаимодействие двух электронов через обмен виртуальным фотоном. Как правило, волнистыми линиями на таких диаграммах обозначаются только виртуальные частицы Изображение Dummies

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.

Материя везде, пустоты не существует

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.

{ "author_name": "Никита Логинов", "author_type": "editor", "tags": ["\u0444\u0438\u0437\u0438\u043a\u0430","\u0440\u0430\u0437\u0431\u043e\u0440\u044b","\u043b\u043e\u043d\u0433\u0440\u0438\u0434\u044b"], "comments": 601, "likes": 437, "favorites": 463, "is_advertisement": false, "subsite_label": "science", "id": 393428, "is_wide": false, "is_ugc": false, "date": "Thu, 10 Jun 2021 13:53:51 +0300", "is_special": false }
0
601 комментарий
Популярные
По порядку
Написать комментарий...
8

со школы пытаюсь понять, что такое волна в физике, сам уже пару статей прочел в интернете, и так до сих пор не могу понять, что из себя представляет волна

Ответить
9

Птмчт ты привык иметь дело с механическими волнами. Волнами, распространяющимися в некой среде, где колеблются частицы этой самой среды - вода(молекулы воды колеблются), воздух (происходит колебание газов, водяного пара, частиц пыли и прочего), твёрдые материалы(допустим если ударить по железяке и приложить ухо в паре метров, или соседи топают - волны распространяются в бетонных перекрытиях, ну а потом уже по воздуху), но в физике много явлений, которые не являются в современном понимании механическими волнами, нет среды, в которой они бы распространялись, точнее нет этих самых частичек чего-то материального, которые бы колебались и переносили бы тем самым энергию. Например, свет - электромагнитная волна, но свет спокойно распространяется и в вакууме лабораторном, и в космосе, да, есть частички света, фотоны, но и они вовсе никакие не твёрдые шарики, а квант электромагнитного излучения, фотон можно поглощать или испускать - это частот происходит с электронами на оболочках(чаще - внешних) атомов, таким образом атомы как бы «светятся», давая нам возможность изучить спектральные линии, понять состав вещества и прочее. В общем и целом, в физике есть явления, которые математически можно описать волновыми уравнениями, но математика - это абстрактная наука, математически мы можем приравнять слона к автомобилю и они будут тождественны в рамках какой-то задачи, системы или критерия, допустим по количественной характеристике - весу, но физически это совсем разные объекты. Так и волны на воде не тождественны электромагнитным волнам. Вообще физическая картина и представления мира сильно зависит от конкретного раздела в физике - квантовая механика имеет очень много «но» или минусов в плане понимания того что и как происходит, та же кошка у Шрёдингера - это попытка показать абсурдность понимания связки микро и макромира, субъективно ощущаемой действительности(ну или объективно наблюдаемой реальности) и результатов физических моделей, которые подтвердились экспериментально.

Ответить
2

спасибо за развернутый ответ. Вообще у меня никогда не было проблем с пониманием абстракций, математика мне давалась легко, как и часть физики - кинематика, термодинамика - я легко все понимал, и решал сложные задачи, но с электромагнетизмом как то не задалось

Ответить
1

Ну действительно удивительное свойство мира, что ты можешь за секунды передавать голос, звук, да любую информацию на огромные по нашим меркам расстояние, в т.ч. и не по проводам, если сильно упрощать, не учитывать отражения от слоев атмосферы, диапазоны укв, св, дв, зоны молчания и пр, то скорость почти 300 000 км/с. От Москвы до Нью Йорка 7500 км, т.е. если что-то сказать в микрофон и передать по радио, в Нью Йорке(на расстоянии равном расстоянию до Нью Йорка) тебя услышат через 0,025 с, иными словами если б не кривизна поверхности, отражения и прочее, то твой голос 8 раз за секунду облетит земной шар(40000 длина экватора/300000 км/с). По витой паре скорость распространения сигнала около 70% от скорости света, примерно 200 000 км/с, прохожая цифра и для оптоволокна, хоть там и свет распространяется, но коэффициент преломления порядка 1,5.

Ответить
2

Это признак физической зомбированности.Без среды распространения волновых процессов нет.Если вы не наблюдаете эту среду,это не значит,что ее нет.В физике в отличие от математики, волновой процес это сжатие и разрежение среды распространения с одновременным движением волны от точки ее возникновения в бесконечность.В математике волновой процесс это просто график,например синусоиды.Ему действительно, кроме бумаги,никакой среды не нужно.

Ответить
0

То есть эта среда и есть поле. Полей нет, но среда есть. 

Ответить
0

полей есть аж 17 штук )))))

поле номер 17 отдельный рассказ , новое

~ поле Тёмного Вещества , тёмное поле с квантами Тёмными фотонами

взаимодействие тёмных частиц в космосе . новое Поле  

Ответить
1

Я не формировал эту мысль для тебя. Комментарий сверху тупой дегенератский антинаучный. Я про то, что поля и среда одно и то же. Блять. Валерий какой-то ёбнутый

Ответить
1

Короче существуют особые виды материи - поля - и нам больше нечего тут словами сказать. Все остальное математические модели, которые проверяют на практике на соответствие реальности 

Ответить
1

Нет в природе никаких полей,они существуют только в головах математиков,как Бог в голове верующих.Все волновые процессы в любых средах, описываются одинаковыми уравнениями.

Ответить
1

2021 год : в мире 17 полей и их продолжают открывать . впервые о полях заговорил фарадей к 1880 году . он видел как электричество и магнетизм передаются на расстоянии БЕЗ видимого касания

свет бежит не в пустоте и не по пустоте

квант света эт порция Электро магнитных волн ( как и квант теплоты . и там и там фотон . эт разные фотоны )  

Ответить
0

Он ебнутый. Ему надо метку ебанутого.

Ответить
0

фарадей ?  

Ответить
1

Я волна, новая 🌊 подо мной будет вся страаанаааааа

Наш мозг не создан для понимания. Надо вникать в математические модели для понимания, изучать математический аппарат, тогда более менее представим

Ответить
4

 Наш мозг не создан для понимания

Увы, да. Наш мозг заточен эволюцией под выживание в экосистемах одной заурядной планетки :) Под высокие материи его ничто не приспосабливало. Поэтому все наши знания, вся наша цивилизация — это великий подвиг человека. Превозмогание себя.

Ответить
0

В России только две разносторонне развитые личности, которые достигают неимоверных высот в любых сферах - это Путин и Бузова

вместе с тем даже они колеблятся  

Ответить
1

Локальное возмущение поля. Когда че-то где-то случилось. И не спрашивай, что такое поле.

Ответить
Читать все 601 комментарий
Обсуждаемое
TJ
TJ — 10 лет. Пора праздновать!
В такую дату грех не закатить вечеринку из материалов.
Новости
«Медуза»: Путин «поставил перед фактом» Медведева о невключении в список «Единой России» на выборах
Собеседник издания назвал это «унижением».
Новости
Певицу МакSим подключили к ИВЛ и ввели в искусственную кому из-за серьёзного поражения лёгких
Хотя тесты на коронавирус оказались отрицательными, симптомы соответствуют Covid-19.
Популярное за три дня
Наука
Астрономы заявили о вращении самых крупных объектов во вселенной — «волокон» с галактиками внутри
Длина каждого такого «волоса» составляет сотни миллионов световых лет, в одном из них находится и Млечный путь.
Новости
«Би-би-си» узнала, зачем чиновникам нужно столько жёлтых телефонов — это маркер статуса «большого человека»
Но спецсвязь прослушивается с момента своего появления.
Разборы
Политтехнологи Пригожина и выходцы из «фабрики троллей»: что известно о фонде, желающем признать «Медиазону» иноагентом
Влияние на выборы в Африке, призывы к цензуре рунета и книги c критикой Запада.
Комментарии
null