Когда мы думаем о Вселенной, наш разум часто устремляется к звёздам, галактикам, чёрным дырам и тёмной материи. Но самая большая загадка космоса может прятаться совсем рядом. И мы, конечно же, об этом очень редко думаем и вспоминаем.
Все тайны бытия могут прятаться в атоме - той самой единице материи, из которой состоит всё вокруг нас. Несмотря на кажущуюся простоту, атом хранит секреты, которые бросают вызов фундаментальному пониманию природы.
В классической картине атом состоит из ядра (протонов и нейтронов) и окружающих ядро электронов. На первый взгляд, всё кажется понятным. Электроны вращаются вокруг ядра, атомы соединяются в молекулы или просто группируются друг с другом в кристаллические конструкции, молекулы и атомарные связи создают вещества.
Материя, которую невозможно представить
В начале XX века физика столкнулась с первым парадоксом. Электроны не ведут себя так, как это предсказывала классическая механика. Квантовая механика показала, что электроны существуют не в конкретных точках, а как волновые функции, определяющие вероятность их нахождения.
И здесь начинается главная загадка Вселенной. Материя внутри атома не является материальной в привычном смысле.
Электрон одновременно размыт по пространству, но его присутствие ощущается в макромире. Как это возможно? Почему Вселенная позволяет существовать такому странному состоянию, и почему именно атомы подчиняются таким парадоксальным правилам?
Если вы сейчас предполагает, что после сформулированного вопроса я приведу на него ответ, то вынужден вас огорчить. Пока кроме как сказать, что такова природа материи, больше мы ничего не можем. Но уже одно только это способно перевернуть нашу реальность.
Само понимание того, что существует материя по "квантовым правилам", ставит нас в абсолютный тупик. Это и материя... И не материя в классическом смысле. Сколько ещё во Вселенной таких загадок? Если бы физики не заинтересовались строением атома и не пытались бы описать самые разные его свойства, то мы никогда бы даже не подумали о столь странных возможностях.
Тайны природы времени
Если заглянуть глубже, атомы могут раскрыть и тайну времени. Квантовые процессы внутри атомного ядра и взаимодействия с электронами происходят с высокой точностью и стабильностью. Именно на атомных часах основаны наши современные определения времени.
Но есть одна удивительная деталь. Квантовые взаимодействия не спрашивают» о направлении времени. Электроны и кварки взаимодействуют в соответствии с законами квантовой механики, которые симметричны относительно времени.
На уровне атомов и элементарных частиц стрелы времени нет - только симметрия существует. Направление времени, которое мы ощущаем, возникает из-за энтропии и взаимодействия атомов с большим количеством частиц (термодинамика), а не из законов микромира. То есть электроны и кварки в чистой квантовой системе не знают, куда течёт время.
Поясню детально. В микромире, например для одного электрона или кварка, волновая функция описывает вероятность его нахождения, и её эволюция подчиняется уравнению Шрёдингера, которое симметрично относительно времени. Если поменять знак времени, волновая функция идёт назад точно так же, как шла вперёд, и никаких физических законов не нарушается. Она просто не зависит от появившегося в расчёте минуса.
В макромире же мы видим необратимые процессы (разбивающаяся чашка, растущее тепло), потому что тысячи и миллионы частиц взаимодействуют друг с другом и с окружением, и суммарная вероятность обратного стечения событий становится практически нулевой. То есть волновые функции каждой частицы всё ещё симметричны, но из-за статистики и роста энтропии это не заметно на уровне больших объектов, и кажется, что время течёт только в одну сторону.
Возможны это полностью описывает проблему макромира, а возможно тут спрятана главная тайна времени.
Непонятно что в виде тёмной материи
Есть и ещё кое-что. Современная космология столкнулась с тем, что 85% вещества во Вселенной мы не видим - это так называемая тёмная материя. Атомы, из которых состоят звёзды, планеты и люди есть лишь малая часть материального мира. Что держит галактики вместе, если не гравитация обычной материи?
Некоторые физики предполагают, что ответы на загадку тёмной материи могут скрываться в структуре атома и его взаимодействиях с невидимыми частицами. Возможно, атом не просто строительный блок материи, а активный детектор вселенских сил, о которых мы пока не догадываемся. Возможно он такой и есть, поскольку активно взаимодействует с темной материей. А возможно тёмная материя и есть обратная сторона обычного атома. Прямого ответа опять нет.
Путь к теории всего
Современная физика сталкивается с одной из главных проблем. Нужно объединить квантовую механику и общую теорию относительности. Атомы - точка пересечения этих двух миров. Ядра атомов подчиняются законам квантовой механики, но в масштабах гравитации (например, в нейтронных звёздах) поведение атомов подчиняется общей теории относительности.
Загадка в том, что атомы могут быть микро-универсумом, где взаимодействуют все фундаментальные силы сразу. Гравитация, электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие. Понимание атома в полной мере возможно и есть, путь к теории всего.
Что же. Атом, кажущийся простым и привычным, но возможно именно он хранит ответы на вопросы, которые мы пока можем даже точно формулировать. Порой самое интересное в науке спрятано где-то под самым носом.
Взглянув на атом внимательнее, мы видим не просто маленький строительный блок материи, а целый микрокосм, в котором вероятно закодированы законы всей Вселенной.
Подборка на канале специально для вас:
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram
Хочется помочь проекту, но нет возможности купить премиум? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️. Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями