Все мы из школы знаем, что такое атом, и то что он состоит из электронов, протонов и нейтронов. А из чего состоят они? Наверно мало кто задавался этим вопросом, но знающие люди, знают, что протоны и нейтроны это всё ещё не элементарные частицы, так как состоят из других более мелких братьев. Протон состоит из 2-х верхних кварка и 1-го нижнего, а нейтрон из 1-го верхнего и 2-х нижних. Нижний и верхний - это названия кварков, более элементарных частиц, но сейчас не про них.
У многих в голове структура атом такая как на картинке, но так ли это на самом деле?
На самом деле нет. Это очень грубая форма представления атома, которая так удобна для нашего понимания.
Во первых размер самого атома в несколько десятков или даже сотен раз больше его ядра. Для примера возьмем футбольное поле в качестве атома. В центре футбольного поля расположим мяч для гольфа, который представляет собой ядро атома. Примерно такие соотношения между атомом и его ядром.
Внушительно не правда ли?
А что же тогда находится в оставшемся пространстве? В нем находятся электроны, которые вращаются вокруг ядра, но вращаются это грубо сказано.
Давайте подробнее про электрон. Второе заблуждение заключается в том, что электрон это вовсе не шарик, как иллюстрировано на картинке. Электрон это, если можно так выразиться, абстрактная точка, именно точка, так как эта частица имеет нулевой размер. Это просто точка в пространстве, которая имеет заряд и некоторую массу.
Третье заблуждение - электрон вращается вокруг ядра словно планеты вокруг своих звезд. На микроуровне в ход вступают законы квантовой физики, и электрон как один из их представителей подчиняется им.
В чем же суть? Электроны действительно двигаются, но они находятся во всех возможных точках своего энергетического уровня одновременно.
Как это понимать? Электрон существует в виде волны вероятностей вокруг своего атома и эта волна вероятности заполняют всю оставшуюся пустоту атома.
Можно ли сказать, что атом не пустой, раз заполнен неким облаком вероятностей электрона? Нет, нельзя, облако вероятности это абстрактное понятие, которое исходит из того, что нельзя точно определить в какой момент времени, где конкретно будет находится электрон. Можно только описать в каких областях он может находиться и с какой вероятностью.
Так мы имеем облако вероятно возможных местоположений электрона, а приняв во внимание, то что электрон это точка с массой и зарядом, а не материальный объект, можно сказать, что атом практически пустой внутри, за исключением своего крошечного ядра? Скорее всего, да.
Четвертой заблуждение в том, что у атома есть границы. Их нет, попросту нет, более того они могут расширяться, сжиматься и даже сплющиваться. Границы атома расплывчаты, не имеют четких границ из-за волной природы электронов.
Слева - то что мы привыкли воспринимать как атом, справа наиболее точная модель атома. В центре маленькое его ядро из нейтронов и протонов, которое окружено вероятностным электронным облаком.
С атомом разобрались, давайте вернемся к его ядру. Как выше было сказано, нейтроны и протоны состоят из верхних и нижних кварков. А из чего в свою очередь состоят они? Не из чего. Да, кварки это бесструктурные точки, как и электрон имеющие заряд, массу, а еще спин.
На самом деле состав протона намного более сложен и многогранен, но суть в том, что состоит он из фундаментальных, бесструктурных частиц, которые в свою очередь состоят из ничего.
Однако масса этих точек составляет всего около 1% от всей массы протона, но откуда всё остальное? Основную часть массы протона составляет энергия, которая связывает все эти кварки внутри протона
Но каким образом вроде энергия, но дает массу нашей структурной частице? В этом нет ничего удивительного. Вспомним знаменитую формулу Альберта Эйнштейна: E=mc^2. Из формулы видна прямая взаимосвязь энергии и массы.
Это не означает, что энергия превращается в массу, это буквально описывает, что масса это и есть энергия в своеобразной форме. Удерживая кварки вместе, эта энергия "заперта" внутри протона, и воспринимается в форме массы.
Какой из всего этого вывод? Получается, если атомы состоят из протонов, нейтронов, которые состоят из кварков, которые состоят из ничего, то и протоны с нейтронами это пустышка? Грубо говоря да. Протоны и нейтроны пустые, а значит и ядро атома пустое, и сам весь атом пуст. Внутри них буквально нет ничего по-настоящему твердого.
Так, если нет ничего по-настоящему твердого, то и самого понятия твердости существовать не должно? Верно, но не совсем так. Действительно из вышеизложенных утверждений понятно, что "материального" не существует, но само понятие твердость применимо к взаимодействию между атомами, которые "соприкасаются" друг с другом.
Раз всё пустое, почему мы не проваливаемся во всё подряд? Тут всё довольно просто. В ход вступает электрическое взаимодействие частиц. Когда мы дотрагиваемся до чего нибудь, то на самом деле чувствуем силу отталкивание электронов на концах наших пальцев с электронами предмета, который мы взяли. Словно два магнита заряженных одинаковым зарядом не могут коснуться друг друга.
Исходя из всего вышесказанного, вся Вселенная пуста? Если, рассматривать в контекста, твердости, то да, весь мир так скажем "фантомный".
Мы и всё что мы видим и ощущаем - это энергетические сущности и объекты, ведь масса (основной партнер концепции твердости) ничто иное как энергия в своей "застывшей" форме, если можно так назвать, которое образовано абстрактными вероятностными облаками фундаментальных бесструктурных частиц, которые в свою очередь взаимодействую друг с другом посредством таких же абстрактных полей, генерируемыми ими.