{"id":778,"title":"\u041f\u043e\u044f\u0432\u0438\u043b\u0441\u044f \u043f\u0440\u0435\u043a\u0440\u0430\u0441\u043d\u044b\u0439 \u043f\u043e\u0432\u043e\u0434 \u043f\u0435\u0440\u0435\u0441\u043b\u0443\u0448\u0430\u0442\u044c \u0430\u043b\u044c\u0431\u043e\u043c\u044b PJ Harvey","url":"\/redirect?component=advertising&id=778&url=https:\/\/tjournal.ru\/umg\/409290&hash=1d76a9de76197182b829a3caf8c744f76e1c6c2e28cf9d9780881819d0250715","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": 630, "likes": 450, "favorites": 473, "is_advertisement": false, "subsite_label": "science", "id": 393428, "is_wide": true, "is_ugc": false, "date": "Thu, 10 Jun 2021 13:53:51 +0300", "is_special": false }
0
630 комментариев
Популярные
По порядку
Написать комментарий...
0

В работе > издание второе дополненное 2007 доказано существование материальной среды эфир и впервые в мире определена плотность этой среды. Эфир – среда, заполняющая всё мировое пространство. В работе > издание третье дополненное 2015 доказано, что экспериментальным данным американского исследователя Дейтона Кларенса Миллера соответствуют скорости эфирного ветра достигающие величины 464 км/сек, а не скорости 8-10 км/сек, полученные вследствие использования ошибочной методики обработки экспериментальных результатов, предложенной А. Майкельсоном.

Как говорится “Да полно, видел ль ты слона – слона то я и не приметил”.
Борис Плахов инженер физик plahov@chtc.ru

Ответить
0

*  В работе > издание второе `дополненное` 2007 доказано существование материальной среды эфир и впервые в мире Википедия этого не знает )))))))))))))))

все энциклопедии опровергают Эфир  

Ответить
0

Евгений Петров, Вы пишете: .Википедия этого не знает )))))))))))))))
все энциклопедии опровергают Эфир 
 Не знает (ют) о доказательстве существования материальной среды эфир. Почти всё верно. Вот только в работе Эфир и фундаментальные преобразования показано, что их опровержения ложны. Правильное отношение к Википедии / энциклопедии – А судьи кто, за давностию лет, времён Очакова и покоренья Крыма. По сути это задворки науки и пока иудаистская команда эйнштейнианцев не признает своё поражение, информация о доказательстве существования материальной среды эфир будет замалчиваться./ игнорироваться. Такова политика господствующего клана в науке.

Чтобы Вам не было скучно приведу текст вкладыша к книге Эфир и фундаментальные преобразования издания третьего дополненного 2015:

                   Теоретическая физика превратилась в цирк
Ещё в 2007 году в книге  Эфир и фундаментальные преобразования было доказано, что преобразования Лоренца не верны, доказана справедливость преобразования Галилея и, тем самым, справедливость понятий абсолютности пространства и абсолютности времени. Масса движущихся элементарных частиц m ≠ m0 / (1 - v^2/c^2)^0,5, а их энергия E ≠ E0 / (1 - v^2/c^2)^0,5!
Вследствие бездарной деятельности А. Эйнштейна (не был он способен разделить даже x’ на t′ в преобразовании Лоренца), политических запретов критики теории относительности, теоретическая физика превратилась в цирк. Такой цирк, в котором научным сотрудникам, докторам, членкорам, академикам, а также Нобелевским лауреатам была отведена роль клоунов, жонглирующих ложными значениями масс и энергий движущихся элементарных частиц. И теперь эта толпа псевдо физиков, распределённая по различным учреждениям по всему миру, оказалась в состоянии кто в растерянности, кто в надежде на то, что политические структуры их не сдадут и не станут судить за нанесённый ими громадный ущерб, кто в злобе. Эта толпа оказалась не готовой и не способной заниматься развитием физики в резко изменившихся условиях. Психология этой толпы на данном этапе изложена словами песенки: > Шкурный интерес также может определять поведение теоретиков. Справедливость преобразования Галилея доказана ещё в публикации 2007 года, прошло 12 лет и до сих пор официозом игнорируется этот результат. Результат, который официоз не в состоянии опровергнуть. Тогда как необходимо незамедлительно прекратить бесполезные траты на очередной ЦЕРН.
27 января 2019 года ________________ /Плахов Б.В./

Ответить
0

я как иудей ( а я в жизни еврей ... иудей ... сионист ... израильтянин ... ) ответственно вам заявляю !

я ! проплатил всю википедию !

чтобы они опровергали твои слова ( с логикой и с примерами )

* слово Вики на сленге переводится как Быстрая

** слово сион = израиль . эт слова синонимы . сионист = правый патриот израиля , правое крыло , не центрист ( хотя я больше левый )

~ а потом я пошёл и проплатил ВСЕ ВСЕ остальные энциклопедии тоже ( их 13 штук , знаменитых )

а потом я дал НА лапу : оксфорду ... кембриджу ... сорбонне ... бауманке ... принстону ... калтеху ... стенфорду ... токийскому ... сеульскому ... ленинградскому ( спб ) ...

короче ДАЛ всем !

потратил 14 квадриллионов сребренников ! квадро ... квадрат ... 4

4 сребренника = 1 еврик ( на июнь 2021 )

шекель эт слово на еврейском

( я ещё проплатил чтобы ты говорил Шекель а не сребренник )

вот такой Гадкий Я !

а потом повесил вот такой вот БАННЕР :

- Теоретическая физика превратилась в цирк ! любой человек может прийти в слепой Интернет и рассуждать про КВАНТЫ !

Ещё в 2007 году в книге Эсфирь и фундаментальные преобразования было доказано, что только Ярые Проблемные психически нездоровые люди фанатично не умеют думать и как ЗОМБИ ( а там зомби ) радикально носятся с идеей Эфира из 1821 года

тогда не знали про поля

- но на дворе ЛЕТО 2 0 2 1

прошло 200 лет

II века

и всё сильно изменилось . есть новые знания

~ и ты не посмеешь с меня сдуть пену богоизбранности !

я буду в с ё говорить что я думаю про Радикалов от Эфира

я буду тыкать тебе ИСААКОМ ньЮтоном

зельдовичем

ландау

эйнштейном

...

...

буду давить тебя Авторитетами

и потребую от тебя :

- школьный аттестат , чтобы все увидели кто там РАССУЖДАЛКИН

там `3` сверху вниз , по всем предметам

- и справку от врача

там понятно что с головой

очень важно знать КТО там рассуждает - по ту сторону экрана

Тогда как необходимо незамедлительно прекратить бесполезные траты на очередной ЦЕРН ( россия даёт 2 рубля ) который стоит 13 млрд евриков ( и я не шучу ) , там другие частицы бегут не по кругу ( а по прямой ) и хочет строить его у себя КИТАЙ ( будет введён в эксплуатацию к 2041 году )

Ответить
0

Как видите я знал что Вам не будет скучно. Спасибо доставили удовольствие, именно Вы были мне нужны.

Ответить
0

=  я иудей ( а я в жизни еврей ... иудей ... сионист ... и израильтянин ... ) - и со мной скучно НЕ будет

Ответить
0

Много говоришь, а их нет. Конечно скучно не будет.

Ответить
0

Эфир прекрасно визуализируется средствами магнитной жидкости

Ответить
0

если бы прекрасно -> то все бы видели  

Ответить
0

Да увеличьте вы изображение, нельзя же быть столь немощным.

Ответить
Читать все 630 комментариев
Обсуждаемое
Истории
«Для друзей я абсолютно здорова — они не знают о порезах»: что такое селфхарм и почему он не избавляет от проблем
Истории людей, для которых самоповреждения стали частью жизни.
Новости
Роскомнадзор потребовал от YouTube заблокировать каналы соратников Навального: Волкова, Албурова и Милова
По мнению Генпрокуратуры Волков распространяет «недостоверную общественно значимую информацию под видом достоверных сообщений».
Интернет
«Факцина, жижа и шмурдяк»: как российские антипрививочники из телеграм-чатов выросли в целое офлайн-движение
Противники вакцин набрали популярность на фоне обязательной вакцинации и новых антиковидных ограничений — разбираемся, какие у них убеждения и зачем они выходят на улицы.
Популярное за три дня
Новости
Роскомнадзор заблокировал сайты Навального, Соболь, Волкова и 39 штабов
Сайты заблокировали по решению Генпрокуратуры.
Интернет
«Вы продаёте рыбов? Красивое...»: фраза из абсурдной картинки с котами стала мемом
Просто показываю.
Спорт
Олимпийскому чемпиону Евгению Рылову не разрешили выйти на награждение в маске в виде морды кота
«Плакать хочу. Мне не дали выйти в маске с котиком».
null