Спросите Итана: если вещество состоит из точечных частиц, почему у предметов есть размеры?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/09/16/ask-ethan-if-matter-is-made-of-point-particles-why-does-everything-have-a-size/
  • Перевод

Модель структуры протона вместе с присущими ему полями показывает, как, несмотря на то, что он состоит из точечных кварков и глюонов, у него есть конечный и довольно большой размер, возникающий благодаря взаимодействию его внутренних квантовых сил

Основная идея атомной теории состоит в том, что на наименьшем, фундаментальном уровне материю, из которой всё состоит, после какого-то предела уже нельзя делить далее. Эти итоговые строительные блоки материи были бы буквально неделимыми, ἄτομος. Спускаясь на всё меньшие масштабы, мы обнаруживаем, что молекулы состоят из атомов, а те состоят из протонов, нейтронов и электронов, а протоны и электроны можно дальше делить на кварки и глюоны. И хотя кажется, что кварки, глюоны, электроны и прочие являются точечными частицами, у состоящей из них материи есть реальные, конечные размеры. Почему так происходит? Именно это хочет узнать наш читатель:
Многие источники постулируют, что кварки – точечные частицы. Можно было бы подумать, что состоящие из них объекты – нейтроны – тоже точечные. Что не так в моём рассуждении? Или же они связываются между собой таким образом, что у получающегося нейтрона оказывается некий размер?

Давайте отправимся к мельчайшим масштабам и посмотрим, что там происходит.


С макроскопических до субатомных масштабов размеры фундаментальных частиц играют лишь небольшую роль в определении размеров составных структур

На макроскопических масштабах материя ведет себя так, как мы привыкли – и это продолжается вплоть до молекулярных размеров порядка нанометра (10-9 м). А на меньших масштабах приобретают влияние квантовые правила, которым подчиняются отдельные частицы. Атомы с электронами, находящимися на орбитах около ядер, имеют размер порядка ангстрема: 10-10 м. Атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в 100 000 раз меньше самого атома – это уже шкала порядка 10-15 м. В каждом отдельном протоне и нейтроне находятся кварки и глюоны. И хотя у молекул, атомов и ядер есть размеры, фундаментальные частицы, из которых они состоят – кварки, глюоны и электроны – считаются истинно точечными.


Кварки, антикварки и глюоны в Стандартной модели обладают цветным зарядом, кроме всех остальных свойств вроде массы и электрического заряда. И все эти частицы, насколько мы можем судить, точечные.

Мы определяем точечность частицы, просто сталкивая её с чем только возможно на самых высоких доступных энергиях, и разыскивая доказательства наличия у неё внутренней структуры. В квантовом мире у частиц есть не только физический размер, но и длина волны, определяемая их энергией. Выше энергия – меньше длина волны, а это значит, что мы можем зондировать всё более мелкие и сложные структуры. Энергии рентгеновских лучей хватает для зондирования структуры атомов, и изображения, полученные благодаря рентгеновской дифракции и рентгеноструктурного анализа, проливают свет на то, как выглядят молекулы и отдельные атомные связи.


Карта плотности электронов в структуре белка, определённая при помощи рентгеноструктурного анализа

На энергиях ещё повыше можно получить разрешение получше. Ускорители частиц могут не только разбивать на части ядра атомов – глубоконеупругое рассеяние позволяет раскрыть внутреннюю структуру протона и нейтрона: находящиеся внутри них кварки и глюоны. Возможно, что в какой-то момент мы обнаружим, что некоторые из частиц, которые мы считаем фундаментальными, состоят из ещё более мелких. Но на текущий момент, благодаря энергиям, достигаемым на Большом адронном коллайдере, мы знаем, что если кварки, глюоны или электроны и не фундаментальны, их структуры должны быть меньше 10-18 — 10-19 м. Насколько нам известно, они на самом деле точечные.


Кварк-глюонная плазма ранней Вселенной. Хотя мы часто изображаем кварки, глюоны и электроны в виде трёхмерных сфер, наилучшие из доступных нам измерений говорят нам о том, что их нельзя отличить от точек.

Так как же получается, что все вещи, состоящие из них, оказываются крупнее точек? Всё дело во взаимодействии трёх вещей:

  1. Взаимодействия.
  2. Свойства частиц.
  3. Энергия.

У известных нам кварков есть не только электрический заряд, но и (как у глюонов) цветной. Электрический заряд может быть положительным или отрицательным, одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные – притягиваются. А взаимодействие цветных зарядов – сильное ядерное взаимодействие – всегда заставляет их притягиваться. И работает оно очень похоже на пружину.


Внутренняя структура протона — показаны кварки, глюоны, и спин кварков. Сильное ядерное взаимодействие работает как пружина, его сила пренебрежимо мала в расслабленном состоянии, но оказывается большой и притягивающей при растяжении.

Когда два объекта с цветными зарядами находятся рядом, сила между ними падает до нуля, как у нерастянутой пружины. Когда кварки сближаются, в дело вступают электрические силы, и часто это приводит к взаимному отталкиванию. Но когда объекты с цветным зарядом находятся далеко друг от друга, сильное взаимодействие становится сильнее. Оно, как натянутая пружина, работает на стягивание кварков вместе. Исходя из мощности цветных зарядов, силы сильного взаимодействия и электрических зарядов каждого кварка, мы получаем размер протона и нейтрона – он такой, на котором сильное и электромагнитное взаимодействие приходят в равновесие.


Три валентных кварка в протоне вносят вклад в его спин, но это делают и глюоны, морские кварки и антикварки, а также орбитальный момент импульса. Электростатическое отталкивание и притягивающее сильное ядерное взаимодействие совместно придают протону размер

На чуть более крупных масштабах сильное ядерное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны в атомном ядре, преодолевая электростатическое отталкивание отдельных протонов. Это ядерное взаимодействие – остаточный продукт сильного ядерного взаимодействия, работающего на очень малых расстояниях. Поскольку отдельные протоны и нейтроны нейтральны по цветы, перенос взаимодействия осуществляется виртуальными нестабильными частицами, пионами, что объясняет, почему ядро после превышения определённых размеров становится нестабильным; пионам слишком сложно переносить взаимодействие на большое расстояние. Только в нейтронных звёздах добавление связывающей гравитационной энергии подавляет стремление ядер к перестройке в более стабильную конфигурацию.


Отдельные протоны и нейтроны цвета не имеют, но между ними действует остаточное сильное ядерное взаимодействие

На атомных размерах самая низкая из возможных энергий электрона, связанного с ядром, получается не нулевой, а довольно высокой по сравнению с массой покоя электрона. Эта квантовая конфигурация означает, что электрону нужно шнырять внутри атома на очень больших скоростях; хотя ядро и электрон имеют разные заряды, электрон не сможет столкнуться с ядром и успокоиться. Вместо этого электрон существует в виде некоего облака, носясь и вращаясь вокруг ядра (а также проходя сквозь него) на расстоянии почти в миллион раз большем, чем размер самого ядра.


Уровни энергии и волновые функции электрона, соответствующие различным состояниям внутри атома водорода – хотя у других атомов конфигурация будет очень похожей. Уровни энергии квантуются кратно постоянной Планка, но размеры орбиталей и атомов определяются энергией основного состояния и массой электрона.

Существует несколько забавных лазеек, позволяющих нам изучать изменение этих размеров в экстремальных условиях. У чрезвычайно массивных планет атомы начинают сжиматься из-за огромных гравитационных сил, из-за чего большее их количество может вместиться в меньший объём. К примеру, масса Юпитера в три раза больше массы Сатурна, но первый всего на 20% больше второго. Если заменить в атоме водорода электрон мюоном, нестабильной электроноподобной частицей, с тем же зарядом но с массой в 206 раз больше, размер мюонного атома водорода будет в 206 раз меньше. Атом урана на самом деле больше, чем сумма размеров отдельных протонов и нейтронов из-за дальнодействия электростатического отталкивания протонов по сравнению с близко действующим сильным ядерным взаимодействием.


Планеты Солнечной системы в масштабе их истинных размеров. Размер Сатурна почти такой же, как у Юпитера – но Юпитер в 3 раза тяжелее, что говорит о том, что его атомы чрезвычайно сильно сжаты из-за гравитационного давления

Используя различные взаимодействия различной силы, можно создать протон, нейтрон или другой адрон конечного размера из точечных кварков. Комбинируя протоны и нейтроны, можно создавать ядра большего размера, чем сумма составляющих их компонентов. А привязывая электроны к ядрам, можно создать более крупную структуру, всё благодаря тому, что энергия основного состояния электрона, привязанного к атому, гораздо больше нуля. Чтобы заполнить Вселенную структурами, занимающими конечное пространство и имеющими ненулевой размер, не понадобится ничего кроме точечных нульмерных строительных блоков. Сил, энергии и квантовых свойств, присущих частицам, будет для этого вполне достаточно.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .
Поделиться публикацией
Ой, у вас баннер убежал!

Ну. И что?
Реклама
Комментарии 33
  • +10
    Ну, хоть не с большого взрыва начал, и то хорошо.
    • +8

      Но он про него подумал — 100% — только не нашол куда приткнуть. Почти получилось — там где "Кварк-глюонная плазма ранней Вселенной", немного не дотянул… :)

    • –4
      что больше электрон или атом?
      • 0
        Эээ… Тут бы определить что означает «больше» сначала.
        Думаю, имелся в виду как бы размер. Если так, то атом включает в себя уже электрон(ы) помимо ядра и, соответственно, электрон куда как меньше по размеру чем атом, и само ядро, подле которого он и приписан находиться.
        • 0
          Есть такое как соотношение Гейзенберга. Чем более холодная частица (ее температура ближе к 0К) тем с большей ошибкой мы можем определить ее координату, больше размер.

          То что масса электрона меньше массы атома делает размер при минимальной температуре больше чем размер атома при той же температуре?
          • 0
            А каким образом Вы зададите электрону энергию маленькую? Это Вам нужно рассматривать водородную плазму с температурой kT/2 = 13.6 эВ или даже много больше. Тогда у Вас будет теоретическая возможность сжать по каждой из осей протонный газ до концентрации 2.34% от концентрации протонного (то есть итого до 0.0013% по объему), но в таком облачке электронов возникнут огромные силы ЭМ отталкивания.
      • 0
        Кварк-глюонная плазма ранней Вселенной…
        Интересно, что же на самом деле сподвигло её «грохнуть» и сколько она существовала до этого события. Если долго, то состояние было довольно стабильным и получается, что что-то прилетело в виде лишнего кварка.
        • 0
          Разве что-то прилетело? Я думал все дело в поле Хиггса, оно перешло из одного в друге стабильное состояние
          • 0
            Ничего себе стабилизация, до сих пор разлетается:)
            В принципе на суть важно, кварки там или поле, что-то ведь должно было спровоцировать процесс. Тёмное дело, как и материя тёмная.
          • +1
            «До этого» не имеет смысла в рамках текущей физики. «До этого» не было пространства-времени, а при отсутствии времени концепция «до» не имеет смысла.
            • +2
              Вот именно — в рамках текущей физики. Иными словами, в рамках нашего незнания и заблуждения.
              > «До этого» не было пространства-времени, а при отсутствии времени концепция «до» не имеет смысла.
              Это основная мантра физики, крайне вредная по своей сути. Кроме «до» есть ещё и «где», а вот с этим совсем плохо. Если рассмотреть данную концепцию, то при отрицании «до» и «где» мы подходим к тщательно завуалированному божественному созданию вселенной.
              Право, по мне ближе наше незнание, чем подобное.
              • 0
                А физика должна отрицать божественное сотворение?
                • 0
                  > А физика должна отрицать божественное сотворение?

                  Если рассуждать логически и принять сотворение высшими силами (тем же Богом), то они, силы эти, явно более высокого порядка, чем то, что физика рассматривает, поскольку физика изучает плоды их творения. Но отрицание имеет место, достаточно вспомнить отрицание научности в фразе «Бог есть», которая тоже по своей сути служит аксиомой для верующих. И я не вижу в их вере ничего плохого. Она просто есть и это данность, данная нам в ощущение.
                  Да и что такое сотворение (возникновение) вселенной? А если она не более, чем натурный эксперимент сверхцивилизации (по нашим меркам), имеющей подобную возможность? Эта цивилизация может претендовать на божественность по нашим меркам.
                  Явно, если углубляться в тему, то возникнет больше вопросов, чем ответов. Что на научном уровне, что на нашем уровне «интересующихся».
                  • 0
                    Не обязательно.
                    Физика и наука вполне может отрицать практически любую земную религию с их тысячей взаимоисключающих параграфов и основной финансовой цели существование.
                    Но «божественное сотворение» вполне может оказаться непостижимым человечеству в принципе, как и сингулярность и «большой взрыв» — это может оказаться вечной недоказанной теорией.
                    • 0
                      > Физика и наука вполне может отрицать практически любую земную религию
                      Мы о разном говорим. Я подразумевал классическую реакцию науки, свято блюдущей принцип доказательства от противного. Это (фраза с Богом) был просто классический пример, который сейчас может пылью покрылся и не в ходу.

                      > «божественное сотворение» вполне может оказаться непостижимым человечеству в принципе
                      На то оно и божественное. Опять же классическое — неисповедимы пути господни.
                      Возможно человечество через миллионы лет и достигнет уровня способности создания карманной вселенной, но пока подобная перспектива скорее предмет ненаучной фантастики. Единственное, в чём человеки преуспели, так это в загаживании земного шарика, в убиении себе подобных и в непрекращающимся совершенствованием орудий убийства. Не зря ведь технический прогресс неразрывно связан с войнами.
                      Может и большой взрыв был «последним аргументом» проигрывающей стороны, а мы теории малюем :)
                  • 0
                    Если вы спросите квантового физика, что создало мир, то он ответит: «Энергия». А если попросите описать эту энергию, то он ответит:
                    — Это такая энергия, которая не может быть создана или разрушена, всегда была, есть и будет, всё, что уже создано – всегда существовало, энергия перетекает из одного состояния в другое и т. д.
                    Если вы спросите религиозного деятеля (теолога) о том, кто создал мир, то ответ будет: «Бог». А если попросите описать Бога, то он ответит:
                    — Бог не может быть создан или разрушен, Он всегда был, есть и будет, всё, что уже создано – всегда существовало, его энергия перетекает из одного состояния в другое и т. д.
                    То есть, всё то же самое, разница лишь в терминологии. Все религии сходятся на том, что человек создан по подобию и образу Бога. И это значит, что и способности у каждого из нас для создания своего мира тоже безграничные. И всё во Вселенной взаимосвязано.
                    • 0
                      Оставьте сову и глобус в покое. Физика это не религия, в физике есть вариант ответа «мы пока не знаем» и не достаточно сказать «пути господни неисповедимы»
                  • 0
                    Можете почитать «Вселенная из ничего» Лоуренса Краусса. Там высказывается мысль что «ничего» это нестабильное состояние, и приводятся некоторые аргументы в ее защиту
                • 0
                  Кварк-глюонная плазма характеризуется температурой как минимум от 25-54 миллиардов градусов до 2 квадриллионов. Под «стабильным» состоянием следует иметь в виду такое, что после распада кварка (или другой реакции при столкновении) на бозоны, кварки или лептоны кварк из плазмы температурой 2 квадриллионов может породить частицу несколько меньшей энергии (эквивалентной температуре 120 триллионов). Эта частица может характеризоваться временем жизни около 1 пс.
                  И для ответа на Ваш вопрос следует понять, остыла ли Вселенная за 1 пс до такой температуры, что не могли в плазме порождаться частицы более высоких энергий? Например, что большинство частиц из указанной эпохи смогли прожить время 12-51 нс (то есть как минимум в 12000 раз дольше), а менее живучие — за 98.5 пс (породив облака пионов и небольшое количество электронов, мюонов и фотонов).
                  • 0
                    > следует понять, остыла ли Вселенная
                    Спасибо за подробное описание.
                    На самом деле меня больше интересует, скажем так, — философская сторона вопроса.
                    Ни физика, ни математика, никакая иная наука так и не даст нам ответ на два простых вопроса — что было «до». До события Х, до предшестующему ему аналогично глобальному событию Y, предшествующему ему… и т.д. до бесконечности.
                    И как только мы прервём эту цепочку бесконечности, встанет второй вопрос — «где». Где же всё это возникло.
                    • 0
                      До начала инфляции размер Вселенной мог быть много меньше миллиона миллиардов км. Собственно все те 22% современной энергии Вселенной (ТМ) и 4% её энергии (обычно называют барионной материей, из фермионов в ней не более 548/1000000 массы припадает на все прочее кроме нуклонов) были сжаты в сингулярность. Был размер этой сингулярности порядка указанных мною сначала размеров или меньше атомного ядра — этого я не знаю.
                      • 0
                        > были сжаты в сингулярность
                        Возможно, а скорее так и есть, я не понимаю, не физик, несмотря на классическое высшее образование образца СССР. Мне непонятен вопрос — так где же была эта сингулярность. По моему разумению, что-бы там не было, любых размеров, оно не могло ни возникнуть, ни существовать, в абсолютном ничто. Иначе мистика получается или приходим к религиозному толкованию.
                        Похоже малы ещё наши знания основ мироздания. Или со всеми этими исследованиями, добравшимися до фермионов, мы перестали видеть лес за отдельными деревьями. Углубились в нечто, что понять пока не способны во всей полноте.
                        С другой стороны, всё это чертовски увлекательно.
                • –2
                  Две картинки как информация к размышлению:

                  1. image
                  2. image
                  • +1
                    Эта тема была немного раскрыта в «Люди в черном — 2»
                    • 0
                      Эта тема была немного раскрыта в «Люди в черном — 2»


                      Раньше, много раньше:

                      «Быть может, эти электроны
                      Миры, где пять материков,
                      Искусства, знанья, войны, троны
                      И память сорока веков!

                      Ещё, быть может, каждый атом — Вселенная, где сто планет;
                      Там — всё, что здесь, в объеме сжатом,
                      Но также то, чего здесь нет.

                      Их меры малы, но все та же
                      Их бесконечность, как и здесь;
                      Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
                      Там та же мировая спесь.

                      Их мудрецы, свой мир бескрайный
                      Поставив центром бытия,

                      Спешат проникнуть в искры тайны
                      И умствуют, как ныне я;

                      А в миг, когда из разрушенья
                      Творятся токи новых сил,
                      Кричат, в мечтах самовнушенья,
                      Что бог свой светоч загасил!»
                      (с) Валерий Брюсов 1922 год

                      Но есть и маленькое «но» — представленные выше фото — это уже не кино и не стихи.

                      image
                      • 0
                        Если уж так копать, то на самом деле раньше, гораздо раньше.

                        История развития микроскопа, 1590 — ...
                        • 0
                          Если уж так копать, то на самом деле раньше, гораздо раньше.


                          А причем тут история микроскопа?
                          Планетарная модель атома Бора-Резерфорда — это 1911 год и далее.
                          Так что Брюсов описал очень свежую на тот момент идею.
                          • 0
                            Я думаю, что идея о том, что всегда найдутся еще более мелкие кирпичики любой сущности — гораздо старше сотни лет.
                  • +1
                    Наверное потому, что вещество не состоит из точечных частиц, а состоит из протяженных полей. А точечные частицы — это математическая абстракция или даже скорее вычислительный артефакт, и в какой-то мере — «иллюзия» наблюдателя, а на самом деле ни точек, ни частиц не существует.
                    • 0
                      Ну, я краем уха слышал, что частицы рассеиваются друг на друге, как будто они точечные. Ну или, по крайней мере, их поперечные размеры соизмеримы с Планковской длиной.
                      • 0
                        Звучит неплохо. Ну, а далее: протяжённые поля — лишь математическая абстракция, на самом деле их не существует, а есть только информация.
                      • 0
                        Частицы точечные только как постулат квантовой механики. А общей теории относительности все объекты протяженные.
                        Поскольку обе теории доказаны экспериментально, то истина в том, что обе они — высокоэнергетичны т.е. справедливы в узких рамках применимости, а за их пределами дают расходящиеся результаты. А ответ на топик есть некая неизвестная пока науке низкоэнергетичная теория, называемая теорий великого объединения.
                        • 0
                          Всегда смущала одинаковая зависимость от расстояния у гравитации и электромагнитного взаимодействия, а так же возможность появления собственного магнитного поля, за счет изменения направления доменов во внешнем магнитном поле. Если к этому добавить дробный (относительно электрона) заряд кварков, невольно на ум приходит ассоциация с магнитами (разной, асимметричной формы) и сложными структурами созданными из них. Теоретически частица может быть «собрана» из таких «магнитов», где одни полюса направлены внутрь частицы, а другие наружу, т.е. общий заряд внешнего взаимодействия будет равен всем свободным (не компенсированным противоположным полюсом соседнего «магнита») полюсам на поверхности сложной частицы. При этом притяжение от всех полюсов остается в силе, но с разной интенсивностью (расстояние от внешней частицы меньше к поверхности, чем к внутренней структуре). В результате получается общее притяжение, которое намного слабее магнетизма на небольших расстояниях. Это много что объясняет. Отличие массы мюона от электрона например или то, что после планковской эпохи гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий.
                          Понимаю, что это все звучит, как бред школьника, но найти, почему это не так, мне не удалось. Идея очень простая и, наверняка, рассматривалась одной из первых и такой же была отвергнута. Прошу просветить не грамотного и сильно не пинать)

                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                          Самое читаемое