{"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...
1

Итог: нихрена не знают физики вообще. Все только догадки. Заметил, статья целиком и полностью состоит из виртуальных, несуществующих и тому подобных частиц, рождающихся и пропадающих как бог на душу послал. Резонный вопрос: если внутри атома постоянно рождаются кварки реальные и виртуальные и всякие там глюоны, то почему не исчезает атом? Почему нейтрино пролетает сквозь все это без сопротивления и что с ним потом случается? Квантовое поле ваще непонятная субстанция, необъяснимая никем, просто название удобное физикам, которое ничего не значит. Оно противоречит законам притяжения и отталкивания частиц. Вероятно тут круче из физиков тот, кто непонятнее для других выскажется, то эфир, то поле. Короче зашли в тупик ученые. Поэтому до сих пор ни гравитацию не объяснили, ни электричество. Пустые слова.

Ответить

Передовой Абдужаббор

Владимир
1

Тогда добро пожаловать в религию: ни одна из них ничего не исследовала, зато ответы на все вопросы «знает».
 
Если по существу ваших претензий, то у вас типичная реакция человека, далёкого от науки, который оперирует бытовыми смыслами терминов вроде «это только теория» и «виртуальная частица», и на этой словесной путанице выстраивает вывод, что наука, дескать, полная хуйня и ничего ей не известно (но это не так, иначе бы у вас устройство, с которого вы этот коммент пишете, не работало бы). В науке это всё «немного» иной смысл имеет, чем вы привыкли думать.

Ответить
–1

Как раз я знаю как работает устройство с которого я пишу коммент))) и знаю по каким законам оно работает)) а вот что такое электричество - никто пока не знает. Попробуйте ответить на этот вопрос, разрешено даже пользоваться подсказками всей паутины и мнением известных авторитетов

Ответить
0

*  электричество это ПОЛЕ

оно своими квантами фотонами толкает заряженные частицы в проводнике ( неважно какого знака )

как толкает описано на примере Глюонов в ролике наверху в камментах

глюоны кстати похожи на фотоны

также в Поле ( там полЯ ) помимо квантов плавают Заряженные частицы в виде комплекса Волн

в ролике на 6 минут наверху роль (пример) заряженных частиц играют Кварки ( и кварковое поле )

Ответить
–1

)) вероятно ты сам сейчас не понял что сказал))) Какое такое поле? Как оно может что то толкать? если оно материальное, то как может толкать нематериальное и наоборот, заряженное, не заряженное... вот и вывод - что такое электричество никто не знает... ну разумеется кроме пятиклассников... опять же волны - волны из чего состоят? наверняка из частиц - вот и значит, что между частицами пустота, но пустоты не может быть, или может? , значит области с высокой концентрацией чего-то или с низкой - вот это волны... а в рисунки про поле как раз и видно эти концентрации —- опять бляха муха противоречие

Ответить
0

А ведь ты гений . Ты нашёл противоречие у докторов наук , специалистов по КТП 

Ответить
–1

Да не противоречие мне нужно... Просто есть мысль еретическая, крамольная - может мы и зависли в развитии как раз из-за всяких там теорий относительности... Ну тормозят они - изначально были неверные выводы, и на основании оных и остановилось все... Полагаю проще все в мироустройстве, не должно быть разницы в микро и макро физике. Природа честнее, проще как все гениальное. ПЫСЫ - насколько я помню, этих теорий, типа Энштейновской в его время было много, но остановились на этой... Причем странностей было много с признанием)))

Ответить
0

=  он просто дал взятку )))))))))))))

Ответить
–1

ХЗ что он там кому давал, но, например, его теория подтверждает теологическую теорию создания мира большим взрывом))) я о том, что сейчас физики пытаются слепить, соеденить вместе неслепляемое, доказать недоказуемое: обычную физику и квантовую. Вот здесь полагаю и корень всех проблем. 

Ответить
0

-  я и не знал что Теология проталкивает Большой в з р ы в )))))))))))))

мне запрещено это писать - но может быть ИСЛАМ ? ))))))))))))

не полит корректно  

Ответить
–1

Да просто все - и то и другое придерживается мнения что мир не существовал всегда, а появился внезапно: одни что создал БОГ, другие Большой Взрыв... Что в общем не противоречит друг другу, а поддерживает.... 
И вот еще большой вопрос: Почему все так уверены что пустоты не существует???? Может если бы признали что она есть, то давно бы и гравитацию открыли и тп.)))

Ответить
0

чтобы создать вселенную богу не нужен взрыв

пустоты нет  

Ответить
–1

Брр - ты заканчивай троллить то)))) 
а ты заешь что нужно Богу? И что было до него? как раз по религии и была пустота до того как он создал мир)))) Ну тогда заодно объясни нам что такое Бог, коли уж ты такой умный)))

Ответить
0

-  чтобы создать вселенную богу не нужен никакой взрыв

до 1931 года Церковь и думать не думала ни про какие ВЗРЫВЫ

Ответить
–1

Короче лепишь ты полную чушь, причем делаешь это безаппеляционно.. а на вопросы ответить не можешь. Ни на один вопрос))))))) а все полагаю из-за того, что не знаешь что ответить))))))) И остается просто долбить как дятел свое, закрыв глаза и заткнув уши))))))) Разговаривать с бесполезно - иди утопись в море всемирной паутины)))

Ответить
0

поставил тебе минус за х а м с т в о  

Ответить
0

Иди общайся с себе подобными, или в секту какую, к упоротым... 

Ответить
0

так ты понял как поле толкает своими частицами ?  

Ответить
Читать все 630 комментариев
Обсуждаемое
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».
Новости
«Дети непонятно какие»: в Петербурге женщина пыталась выгнать с площадки детей с аутизмом. СК проведёт проверку
Женщине пришлось удалить страницу в «ВКонтакте» из-за наплыва гневных сообщений.
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.
Популярное за три дня
Интернет
Крах финансовой пирамиды Finiko: тысячи людей вложили миллионы в схему казанского предпринимателя и остались без выплат
Многие вкладчики всё ещё надеются вывести деньги, пока организатор жалуется на партнёров и обещает вернуть средства «уже сегодня».
Музыка
Умер один из основателей группы Slipknot, барабанщик Джои Джордисон
Музыканту было 46 лет.
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