Не будет ЭТОГО - не будет и материи. Объяснение природы силы, связывающей атомы

Возьмите в руки любой материальный предмет, а точнее - правильнее будет сказать - предмет из вещества. Он состоит из атомов. Атомы объединены в некоторые сложные конструкции, которые могут быть закономерными, а могут и не очень. Но все их объединяет одно. Если это ощущаемое материальное тело, то атомы в его составе объединены друг с другом и удерживаются рядом друг с другом какой-то волшебной силой.

И тут очень важное посмотреть мой ролик по теме, где я доходчиво и интересно всё разъясняю. Ещё и под дождик попал, пока снимал. Раньше выкладывал ролики прямо в текст материала, но сейчас у некоторых проблемы с YouTube - поэтому, добро пожаловать по ссылке!

Конечно же, проще всего тут обозначить, что есть некоторая особая сила, которая удерживает атомы рядом. Ещё есть сила, которая не даёт атомами приблизиться невероятно близко друг к другу, а потому все они находятся в состоянии идеального баланса между притяжением и отталкиванием. Опустим сейчас проблему отталкивания. Что с притяжением?

Если заглядывать чуть глубже, чем это подразумевает описание "особая сила", то у притяжения есть, как минимум, две причины. Это гравитационное взаимодействие, которое есть у любых массивных тел (тел обладающих массой) и электростатическое взаимодействие.

Гравитационное взаимодействие в атоме

Первое тут можно опустить в виду того, что часть гравитационного взаимодействия в притяжение практически не ощущаема. Прикиньте сами на бумажке, учитывая массу взаимодействующих друг с другом частичек. Это сотые доли и, наверное, тысячные доли от того, что генерирует электростатическое взаимодействие. Да и про гравитацию я уже так много раз рассказывал на канале, что заново описывать механизм не имеет никакого смысла.

Да, между частицами всё работает также. Это материальные тела и у большинства из них есть масса. Они также притягиваются гравитационно. И современная физика описывает такое поведение, как реакция тела на искажение пространства-времени рядом с массивными телами.

Когда массивный объект оказывается рядом с таким искажением в пространстве, то происходит то, что мы воспринимаем, как притяжение между телами. Эта логика очень поверхностная и никаких воронок в пространстве, в общем-то, нет. Но для создания общей картины этой информации вполне достаточно.

Тут же я отмечу, что теорий гравитации существует огромное количество. Их не пересчитать даже по пальцам рук. Не хватит пальцев. Но наиболее актуальной по множеству причин сегодня считается Эйнштейновская гравитация. Ученые регулярно находят подтверждения её актуальности. Например, не так давно обнаружили гравитационные волны. Вот только сама идея всё равно часто оспаривается.

Природа электростатики

Вторая сила, которая и делает основной вклад в процесс удержания атомов рядом друг с другом - это электростатическая сила. Детально мы её ещё не обсуждали.

Логика простая - положительное ядро атома из протонов и нейтронов перехватывает чужие отрицательные электроны. Образуется взаимодействие и протоны одного атома начинают притягивать электроны другого. Вот и вся песня.

И тут, в общем-то, тоже можно было сказать, что есть такой закон Кулона, который описывает притяжение между частицами и формализует электростатическое взаимодействие. Но согласитесь, этого явно маловато для погружения в самую суть вопроса.

Проблема в том, что электростатическая сила чаще всего приводится просто как факт. Она есть и всё тут. И школьно-институтская (прикладная) физика тоже лезет значительно реже. Но если есть сила, то есть и причина... Ну и... Конечно же это ещё одно "белое пятно" в современной физике. Нет, я не ругаю теорию и не критикую. Просто если вы постараетесь найти ответ на вопрос как работает электростатическое взаимодействие, то увидите, что прямого однозначного ответа нет. История примерно как с гравитацией. Впрочем, есть разные теории, которые мы сейчас и обсудим.

В мире физики одно и то же явление часто можно описать с помощью разных моделей - от простых и интуитивных до невероятно сложных. И каждый уровень точности раскрывает новую глубину понимания. Главное при этом - не путать эти модели между собой, ведь каждая из них работает в своих пределах и по своим правилам.

В нашем случае можно выделить три таких модели. Конечно же, на самом деле их значительно больше, но эти самые "академические".

Действие на расстоянии

Эта идея пришла к нам ещё из эпохи Ньютона, который объяснял гравитацию так: одно тело воздействует на другое просто потому, что они существуют и находятся на определённом расстоянии друг от друга. Причём сила сразу же «узнаёт», где находится второе тело - без каких-либо промежуточных механизмов.

Такой подход не требует дополнительных объяснений. Как говорил сам Ньютон - «hypotheses non fingo» (я не измышляю гипотез). В рамках этой модели взаимодействие кажется мгновенным и не нуждается в уточнениях о том, как именно сила передаётся. Перевожу на русский - это примерно как я отметил вначале: она просто почему-то есть. Этакая сугубо инженерная физика.

Поле: сила, у которой есть носитель

С развитием науки стало ясно, что простого «действия на расстоянии» не хватает, особенно когда речь идёт о движущихся и ускоряющихся частицах. Тогда появилась идея поля.

Поле - это уже самостоятельная сущность, которая существует в пространстве и подчиняется своим законам. Когда заряды ускоряются, поле начинает «жить своей жизнью» и становится посредником, передающим силы между частицами. Например, в электромагнитном взаимодействии именно электромагнитное поле отвечает за передачу силы от одного заряда к другому. Если заряды покоятся или движутся равномерно, поле просто «маскируется», и картина сводится к привычному действию на расстоянии.

Дальше много вопросов относительно самого взаимодействия. Тут есть разные взгляды на вопрос. Самый простой для понимания - сами заряды и есть проявление поля. Они связаны друг с другом как невидимой тканью и представляют собой колебания в ней. Если эти колебания оказываются на некотором подходящим расстоянии, то они начинают притягиваться или отталкиваться. Поведение поля мы воспринимаем как притяжение.

Квантовое поле

Современная физика пошла ещё дальше и описывает взаимодействия с помощью квантовых полей. В квантовой электродинамике притяжение между электроном и протоном объясняется обменом квантами электромагнитного поля - фотонами.

Это уже не просто непрерывное классическое поле, а система частиц-переносчиков взаимодействия, которая подчиняется законам квантовой механики. Такая модель позволяет объяснять эффекты, которые классическая теория не могла описать - например, почему атомы излучают свет. Электрон, отдавая фотон протону, при этом образует что-то типа связки. Тут крайне сложно пытаться найти материальные аналогии. Можете представить себе что-то типа водоворота, где потоки воды - это виртуальные обменные фотоны, а какие-то упавшие в воронку объекты - притягивающиеся частицы.

Впрочем, есть ещё один интересный взгляд на проблему - частицы могут притягиваться по одной простой причине. Вероятность их расположения рядом вдруг оказалась максимальной. По логике этого подхода всё работает примерно как прохождение непреодолимого квантового барьера в туннельном эффекте.

Почему важно различать эти модели?

Каждая из моделей подходит для своего уровня задач. Для грубых оценок сойдёт действие на расстоянии. Когда нужно учитывать ускорения и излучение - лучше перейти к полям. А если вы хотите понять тонкие эффекты в микромире - без квантовой электродинамики не обойтись.

Какая модель правильная? Прямого ответа нет. Будет ли физика предлагать новые модели? Скорее всего да!

Telegram проекта https://t.me/+T0xL6O4cMU23HPyh