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": 472, "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

Фарадей ( лондон ) относился к эфиру скептически и выражал неуверенность в его существовании

сегодня электрическое ПОЛЕ фарадея и магнитное поле Фарадея работают без эфира ( фарадей первый кто их предположил , эти полЯ )

С открытием Максвеллом уравнений классической электродинамики теория эфира получила новое содержание

сегодня классической электродинамика не верна - сегодня есть КЭД

В ранних работах Максвелл использовал гидродинамические и механические модели эфира, однако УМНО подчёркивал, что они служат только для пояснения с помощью наглядной аналогии

Когда эксперименты Г. Герца подтвердили теорию Максвелла, эфир стал рассматриваться как общий носитель света, электричества и магнетизма

предполагалось, что «эфир», заполняющий межпланетное пространство, является средой, передающей свет, тепло и гравитацию

В период 1892—1904 Хендрик Лоренц разработал теорию «электрон-эфира», в которой он ввёл строгое разделение между веществом (электронами) и эфиром ( как полЯ )

Работа Лоренца была математически обоснована и усовершенствована Анри Пуанкаре

пуанкаре писал свою Теорию Относительности ( свой вариант )

сегодня считается что в Теорию Относительности вложились 20 учёных а не только эйнштейн и половина формул в ТО носят имя не эйнштейна

В течение XVII—XIX веков были сделаны многочисленные попытки связать эфир с гравитацией и подвести физическую основу под ньютоновский закон всемирного тяготения. Исторические обзоры упоминают более 20 таких моделей разной степени разработанности

все они потерпели провал

Среди «пульсационных» теорий наиболее видное место занимает модель норвежского физика Карла Бьеркнеса, который одним из первых попытался создать единую теорию всех полей. Публикации Бьеркнеса (1870-е годы) развивали следующую идею: тела в эфире ведут себя подобно синхронно пульсирующим телам в несжимаемой жидкости

синхронность не нужна сегодня

фарадей рассказывал про свои полЯ без эфира где всё работает в 1860-х

Концепцию Бьеркнеса поддержали английские физики Фредерик Гатри (Frederick Guthrie) и Уильям Хикс (William Mitchinson Hicks), последний теоретически описал «отрицательную материю», чьи атомы колеблются в противофазе, и антигравитацию - которая в теории есть

Теория гравитации Лесажа :

швейцарский физик Жорж Луи Лесаж, первая публикация которого появилась в 1782 году

~ он расписал похожее на то что показывает ролик наверху в комментах про Кварки и глюоны - но ошибка была в том что он расписал это через Корпускулы ( столь популярные т о г д а )

распиши он это через поля и волны и виртуальные частички - он бы вошёл в историю как Создатель Гравитационного Поля и гравитационного взаимодействия верного на сегодня ( что будет через 200 лет мы посмотрим )

Дейтон Миллер в 1924 году объявил, что обнаружил «эфирный ветер». Результат Миллера не подтвердился, а намного более точные измерения (различными методами) вновь показали, что «эфирный ветер» отсутствует

после создания общей теории относительности (ОТО), Эйнштейн предложил возобновить применение термина эфир , сильно изменив его смысл и переписав его свойства , а именно — понимать под эфиром физическое пространство ОТО

Однако большинство физиков предпочло не возвращаться к использованию уже упразднённого устаревшего термина

- в самой креативной работе Эйнштейна (общей теории относительности) существует необходимость в пространстве как среде

Ответить
0

до настоящего времени не обнаружены какие-либо наблюдаемые физические явления, которые оправдали бы реанимацию концепции субстанционального эфира в какой-либо форме. В бюллетене «В защиту науки», издаваемом Комиссией по борьбе с лженаукой и фальсификацией научных исследований при Президиуме РАН, теория эфира охарактеризована как лженаука

Радио появилось задолго до того, как термин эфир вышел из научного употребления, и в профессиональной терминологии медиа-индустрии укоренилось немало связанных с эфиром словосочетаний: программа вышла в эфир, прямой эфир и т. п. Термин «передача в эфир»

Английская версия термина (Ether) присутствует во многих терминах электроники (например, «Ethernet»)

Ньютоний (лат. Newtonium в честь Исаака Ньютона) — легчайший гипотетический химический элемент, существованием которого Д. И. Менделеев пытался объяснить химическую природу мирового эфира

~ Мировой эфир стал рассматриваться как гипотетическая всепроникающая сущность, заполняющая мировое пространство и передающая свет, тепло и гравитацию

Дмитрий Менделеев привёл свои расчёты массы атома ньютония ( похож на нейтрино )

учёные сша на 2021 год : Следует считать спекулятивными и не имеющими никаких оснований публикации о том, что менделеевская гипотеза о ньютонии — не что иное, как гениальное предвидение не то открытия нейтрино, не то фотона . у них разные описанные &
задокумментированные свойства

есть различия между описанием что такое Ньютоний и что такое Нейтрино ( или фотоны )

они отчасти похожи - но не одно и то же

Теории эфира как полей — теории в физике, предполагающие существование эфира как вещества или поля, которое заполняет пространство и служит средой для передачи и распространения электромагнитных (и, возможно, гравитационных) взаимодействий ( есть ещё кварк глюонная плазма например , есть и другие взаимо действия )

В XIX веке светоносный эфир считали средой для распространения света (электромагнитного излучения). Однако ряд экспериментов, проведенных в конце XIX века, таких как эксперимент Майкельсона-Морли, в попытке обнаружить движение земли через эфир не смогли сделать это

Квантовая механика может описывать пространство как непустое в чрезвычайно малых масштабах что неверно - оно всё непустое в КТП

логика то что постранство НЕ пустое верна

не верно описание эфира как среды которая заполняет эту пустоту

Ответить
Читать все 630 комментариев
Обсуждаемое
Интернет
Ходьба по краю: Amouranth — самая популярная стримерша на Twitch. Она не играет в игры и ведёт провокационные трансляции
Пока девушку смотрят миллионы зрителей, «хардкорные» пользователи считают, что её стримы в бассейне и ASMR с облизыванием микрофона олицетворяют всё худшее в современном Twitch.
Беларусь
Белорусская бегунья раскритиковала руководство сборной — и её попытались насильно вывезти из Токио. Главное
Спортсменка запросила убежище в Польше, а её муж уехал из Белоруссии в Киев.
Новости
Участницы рекламы «ВкусВилла» из семьи с ЛГБТ-парой уехали жить в Испанию
Чтобы начать «новую жизнь».
Популярное за три дня
Интернет
Бразильский пловец завоевал бронзу на Олимпиаде в Токио — и повторил мем с парнем, бурно празднующим третье место
32-летний спортсмен всю карьеру шёл к этой медали, а отсылка на главной спортивной «сцене» сделала его героем интернета.
Беларусь
Белорусская бегунья раскритиковала руководство сборной — и её попытались насильно вывезти из Токио. Главное
Спортсменка запросила убежище в Польше, а её муж уехал из Белоруссии в Киев.
Беларусь
Белорусскую бегунью Тимановскую после критики руководства сборной привезли в аэропорт и планируют увезти из Токио
2 августа спортсменка должна была бежать 200 метров, но представители сборной купили билеты на самолёт и привезли её в аэропорт.
null