Наша материя, в основном, состоит из пустоты. И я не имею в виду внутренности наших кошельков.
Давайте разберемся, почему реального вещества так мало. И почему материальные объекты непрозрачны, раз материя, в основном, пустота.
Давайте для начала уточним, как видели атом в эпоху до развития квантовой механики.
Примерный размер атома - около одного ангстрема (10 в минус 10 степени метра). А ядро в 100 тысяч раз меньше размера атома. При условии, что размер электрона еще на порядки меньше, получается, что атом - практически пуст.
Расстояния между атомами - еще больше. В твердых материалах они составляют уже несколько ангстремов. А в других - еще больше.
Электрон в этой модели выглядит, как далекая маленькая планета, которая вращается вокруг звезды.
Получаем классическую модель атома Резерфорда:
Частицы внутри этой пустоты движутся крайне специфически. Электроны просто «телепортируются» с одной орбиты на другую. И не могут находиться в пространстве между орбитами.
Получается, электроны просто исчезают с той орбиты, на которой находились, чтобы появиться на другой орбите.
Если бы ядро атома водорода (один протон) было размером с виноградину, то электрон - песчинка, которая находится от него на расстоянии больше 1 километра.
Получаем упрощенную модель атома, которую обычно разбирают в старших классах школы. Она красива, но, строго говоря, не совсем верна.
Строго говоря, положение электронов описывается через распределение вероятностей. Но, как говорят физики, в нашей аналогии этим можно пренебречь.
Получается, что мы состоим, преимущественно, из пустого пространства.
Квантовая физика против орбит. Или почему в школе нас учили неправильно
Тут есть одна ловушка, в которую попадают все, кто изучал физику в школе, но не знаком с квантовой физикой в институте.
Дело в том, что в любом кусочке пустоты есть ненулевая вероятность нахождения частицы. Однако вероятность эта по мере удаления от ядра крайне мала. И практически нулевая на расстоянии размеров атома. Так что даже исходя из современных квантовых представлений, вероятность наткнуться на пустоту у нас все равно в сотни тысяч раз выше, чем попасть на частицу.
Именно поэтому, если упростить картину, мы и получаем "устойчивые" орбиты. Просто вероятность найти электрон там, а не в другом месте гораздо выше.
Как встретить сибиряка в Зимбабве. Конечно, это возможно! Но вероятность, что это будет первый встречный - крайне мала. А представьте, если ваша выборка - тысяча случайно встреченных в Зимбабве человек. Вероятность, что все они - сибиряки - стремительно катиться к нулю.
Поэтому в школе нас не обманывая, рассказывая об орбитах. Просто выдавали выжимку ситуаций с высокой долей вероятности, пренебрегая теми, где вероятность ниже.
Но если сказать строго научным языком, то вероятность наткнуться на пустоту в микромире в сотни тысяч раз выше, чем попасть точно в частицы.
Поэтому, и по этой модели, материя в основном, состоит, из пустого пространства.
Представьте, не только звезды и планеты, но и животные, растения состоят из пустого пространства и телепортирующихся в нем частиц.
Исключения составляют только сверхмассивные объекты - нейтронные звезды и черные дыры. Их гравитация настолько сильна, что электроны буквально вжимаются в протоны и получается очень плотно упакованная масса. Но в нашем обычном мире даже очень прочные материалы, по большей части, внутри пусты.
Но когда микрочастицы все собираются вместе, то получается материя, которая обладает уже другими свойствами.
Почему материальные объекты непрозрачны, раз материя, в основном, пустота
На самом деле, прозрачность или непрозрачность зависит от длины волны. В видимом свете большинство объектов вокруг нас непрозрачны. Но они вполне могут быть прозрачными в рентгеновском или инфракрасном диапазоне. Все зависит от материала и частиц, из которых он состоит. В видимом диапазоне большинство наших материалов взаимодействуют со светом. Часть поглощается, часть отражается. Какой цвет (считай, длина волны видимого спектра) отражается - таким мы и видим предмет.
По сути, наш глаз и формировался в этих условиях, чтобы видеть объекты. На другой планете с принципиально иными условиями мы бы, возможно, видели в ультрафиолетовом, инфракрасном или рентгеновском диапазоне.