Атом на ощупь или Если бы атом был яблоком!
Один из самых популярных вопросов, который мне задают в комментариях, — это вопрос о том, как можно представить атом и как он будет выглядеть, если увеличить его до размера яблока. Пришло время разобраться с этой темой!
Сегодня мы поговорим об этом в рамках нашего проекта «Доска и мел 2.0.»и постараемся представить, как же будет выглядеть атом, если его увеличить до размера яблока.
Давайте вспомним, что такое атом. Атом — это мельчайшая частица вещества, которая состоит из субатомных частиц.
Долгое время учёные представляли атом как нечто вроде Солнечной системы: в центре — ядро, вокруг него вращаются электроны. Однако современные представления о строении атома изменились.
Сегодня более объективной моделью атома является модель Шрёдингера. Она не сильно отличается от модели Резерфорда. В модели Шрёдингера также есть ядро, но вместо того чтобы вращаться вокруг него, электроны находятся в области вероятности, где их появление наиболее ожидаемо.
Строение атома, представленного в модели Резерфорда, подразумевает, что электрон — это постоянная частица, которую можно «потрогать». Модель Шрёдингера же говорит о том, что электрон может существовать в разных местах одновременно, создавая «облако вероятности». Это особенности квантовой физики, которые позволяют нам представить атом весьма специфическим образом.
Если бы мы увеличили классический атом Резерфорда до размера яблока, то получили бы классическую модель атома, которую раньше можно было купить в магазинах. Однако это устаревшее представление. Если мы увеличим модель атома, которая существует сейчас и считается наиболее правильной, то получим нечто непонятное.
Электроны будут расположены вокруг ядра в виде «мерцающей зоны», где будут периодически материализоваться разные частички, в том числе электроны. Эти частички создадут запутанное облако вероятностей, похожее на электронный шум. Если вы помните старые экраны, то там была такая заставка с вылетающими точками.
Фактически мы будем иметь дело с облаком, которое не имеет ни размера, ни формы. Размер и внешний вид будут вероятностными. Свет не сможет полностью взаимодействовать с рассматриваемыми частичками, поэтому мы не сможем увидеть внутренности атома.
Увеличение атома до некоторых размеров ни к чему не приведёт. Каждая частичка будет расположена на некотором расстоянии друг от друга, вне зависимости от того, меняет ли частичка своё положение. Расстояние между частичками определяется рядом параметров, но в любом случае электроны и внешние частички будут расположены ещё и на определённом расстоянии друг относительно друга.
В результате мы получим нечто вроде бурлящей пены или цифрового шума, где электроны будут вести себя странным образом. Это будет похоже на клубок непонятно чего, который нельзя потрогать.
Ещё один популярный вопрос, который часто задают в комментариях под роликами об атомах и строении атомов, — каким будет атом на ощупь, если он большой? Многих людей интересует, как мы можем потрогать материю, если она, по сути, состоит из пустого пространства.
Я приведу характерное описание, которое неоднократно приводил в своих статьях. Материя в основном состоит из пустого пространства, но в этом нет ничего необычного. Самый простой способ представить это — взять два магнита и попробовать свести их одноимёнными полюсами. Очевидно, что они начнут отталкиваться. Это отталкивание будет ощущаться вполне объективно и материально. Когда магниты отталкиваются, мы можем сказать, что это ощущение вполне реально.
Почему же тогда возникает вопрос, каким образом мы трогаем материю, если она состоит из пустого места? Ну, конечно, не полностью, но пусть даже на 80%. Частицы субатомного уровня выстраиваются в некоторые структуры, будь то вероятность расположения или что-то ещё. Важно то, что они взаимодействуют друг с другом и отталкиваются. В результате того, что частицы отталкиваются друг от друга, мы ощущаем это взаимодействие, когда прикасаемся к другим телам.
Наше тело тоже состоит из частиц. У нас тоже есть электроны, независимо от того, чем они являются. Было много роликов о природе электрона, и я оставлю ссылки на них, там много интересного. Вне зависимости от того, чем являются эти электроны, мы, состоящие из них, пытаемся прикоснуться к другому телу, состоящему из электронов, и ощущаем отталкивание.
В заключение хочу сказать, что мы никогда ничего не можем потрогать, потому что постоянно ощущаем отталкивание частичками.
Теперь давайте рассмотрим строение атома и то, как мы его представляем. Мы можем вообразить атом как увеличенное облако, состоящее из постоянно меняющегося цифрового шума. В этом облаке мы, вероятно, не увидим положение ядра и будем воспринимать его как абстрактный пучок чего-то непонятного.
Когда мы пытаемся пощупать атом, мы ощущаем некую субстанцию, которая отталкивает объекты, состоящие из одноимённых частиц. Это похоже на то, как мы трогаем кисель.
Атом должен быть довольно большого размера, чтобы мы могли взаимодействовать с ним. Мы уже говорили, что атом увеличенный, поэтому мы можем взаимодействовать с ним. Когда мы трогаем атом, как мячик, мы можем его потрогать, но при этом нужно понимать, что из-за отсутствия определённой формы и расположения частиц в облаке вероятности, мы не можем полностью ощутить эту штуку. Мы пытаемся взять мячик, а электроны оказываются в другой точке, и мы трогаем его, а он постоянно меняет форму.
Если мы увеличим атом, мы не сможем потрогать его в том виде, как мы это себе представляем. Более того, эта штука будет постоянно менять свою форму и размеры, попадая в определённый диапазон. И даже не будет напоминать воздушный шарик с водой или что-то подобное.
Все аналогии, которые мы пытаемся представить для упрощения и улучшения восприятия материала, не всегда однозначны и объективны. На квантовом уровне эти аналогии во многом перестают работать.
Классическая механика представляет собой нечто очевидное и понятное. Молоток на столе лежит определённым образом, и мы понимаем, почему он лежит именно так. Но когда мы говорим о квантовых частицах, всё намного сложнее и интереснее.
Квантовые частицы не будут подчиняться тем аналогиям, которые мы пытаемся на них перенести. Различные модели можно использовать, но их нужно использовать внимательно и аккуратно.
Когда мы пытаемся представить, что увеличили атом до размера яблока и пытаемся его потрогать, мы не понимаем, что на самом деле атом, окружённый субатомными частицами квантового уровня, будет вести себя совершенно по-другому и не будет напоминать обычный мячик.
Исходя из некоторых косвенных факторов, можно сделать предположение, что чем-то это будет напоминать наполненный водой воздушный шарик, который постоянно деформируется, но при этом будет ощущаться как твёрдый объект, потому что он тоже окружён электронами.
Наше тело тоже окружено электронами. Любая материя имеет схожую структуру.
Физики называют материей всё, что мы можем потрогать. И эти материи так или иначе взаимодействуют друг с другом.
Принцип запрета Пау́ли объясняет, почему мы не можем «свести» атомы друг с другом. Две частицы не могут находиться в одном месте, поэтому электроны отталкиваются.
Принцип запрета Пау́ли работает не только в мире атомов. Он объясняет, почему в мире так много разных явлений. Многие из вас, наверное, запомнили его именно в такой форме, потому что в школьном курсе мы просто рисуем клеточки и расставляем там электроны.
Давайте кратенько подытожим. Если увеличить электрон, то это будет сложно, потому что он станет похож на дымку или цифровой шум, постоянно перемещающийся и меняющийся в размерах. Но мы не можем потрогать эту штуку в том виде, как мы хотим, потому что она слишком мала.
Ещё один момент: к атому могут относиться электроны, которые находятся буквально в другом измерении. Это довольно большая тема, и у меня есть статья на эту тему. Посмотрите её тоже, я оставлю ссылку.
А на этом, наверное, всё. Всем спасибо, внимание! Обязательно подписывайтесь на Telegram-канал, чтобы всегда быть на связи. Там всегда выходят интересные обновления и много чего ещё.