Физика на пальцах

Гравитационное взаимодействие, то есть взаимодействие масс, отвечает за всемирное тяготение, а электромагнитные силы, то есть взаимодействие между притягивающимися и отталкивающимися зарядами, отвечают у нас за всю химию и за само существование тел, которые не разваливаются на атомы, а вполне себе целехонькие находятся в положенных местах.

Кроме того, в предыдущих частях книги вы узнали, что бывают еще два вида взаимодействия — сильное и слабое. Сильное весьма мощное, но короткодействующее и отвечает за удерживание нуклонов в ядре атома (оно противодействует электростатическому отталкиванию положительно заряженных протонов). А слабое — это распадное взаимодействие, отвечающее за распад частиц и развал атомных ядер. Помните — распад одинокого нейтрона…

Возникает вопрос: если гравитационное взаимодействие передается полем и электромагнитное передается тоже полем, то, может быть, слабое и сильное также имеют полевую природу?

Да, имеют. Но об этом чуть позже. Сейчас же вернемся к тому простому и незатейливому случаю, с которого начали эту главу и который не должен, казалось бы, вызывать никаких вопросов — например, с приятным стуком сталкиваются и разлетаются два бильярдных шара или голова мальчика и дверной косяк. Как передается взаимодействие между твердыми электронейтральными и немагнитными телами в момент их соприкосновения?

Что при этом происходит на уровне атомов?

Вопрос непростой! Мы ведь уже знаем, что атомы практически пусты внутри, в них чуть-чуть «реального» вещества, да и то почти целиком сосредоточеннного в ядре, а от плотного ядра до крайних электронных оболочек — огромное по атомным меркам расстояние. Сами же электронные облака, оболочки или орбитали, как их еще называют, почти ничего не весят, электроны-то легонькие и крохотные! Во взрослом человеке массой примерно 70 кг электроны весят всего 20 граммов, а весь остальной вес приходится на ядра атомов.

99, 9999 % объема атома — это пустота, не занятая никаким веществом. Ядро в атоме занимает одну стотриллионную часть объема атома. А электроны атома занимают еще меньший объем, чем ядро.

Атом практически пуст!

И вот мы берем воображаемый очень сильный микроскоп и начинаем смотреть в него с целью выяснить, что же происходит, когда сближаются два бильярдных шара. Шары на первый, то есть невооруженный взгляд, гладкие. Но мы видим при большом увеличении, как они вот-вот коснутся друг друга довольно шероховатыми поверхностями, напоминающими горы на планете. Прибавляем увеличение воображаемого микроскопа и начинаем различать уже отдельные молекулы, затем атомы. Вот атомы двух шаров приближаются друг к другу. Точнее приближаются их электронные шубы. Но электронные шубы — практическая пустота. Электрончики мало того, что крохотные и болтаются на очень удаленных от ядра орбитах, так они еще одновременно и волны, то есть «существа» весьма эфемерные. По сути, атомам нечем соприкасаться!

Отчего же они не проходят друг сквозь друга, как на этом рисунке?

? Почему же атомы не проходят друг сквозь друга?

А оттого, что одноименно заряженные частицы (например, электроны) отталкиваются. Дистанционно. Полем. И это значит, что никакого соприкосновения твердых тел на самом деле не существует! Ничто там не соприкасается, потому что соприкасаться практически нечему — пустота одна с эфемерным трепетанием электронных облаков! Фактически внешние электроны атомов двух стукающихся друг о друга бильярдных шаров взаимодействуют друг с другом дистанционно, на расстоянии, через поле! Правда, это расстояние очень маленькое, но все равно мы наблюдаем типичное дальнодействие.

Именно так и происходят все соударения всех твердых тел — через электростатическое отталкивание электронных оболочек их внешних атомов.

А как поля двух сближающихся электронов «общаются» друг с другом, как они друг друга чувствуют? И что такое вообще — поле? Из чего оно сделано?

На этот вопрос физики вам не ответят. На этот вопрос знают ответ только философы. Они говорят так: поле — это особый вид материи. И многозначительно замолкают.

Зато на первый вопрос — как полевое взаимодействие передается — физики ответ имеют. Передатчиком электромагнитного взаимодействия являются кванты электромагнитного поля — те самые фотоны, о которых мы уже знаем. То есть: два сближающихся внешних электрона разных атомов обмениваются «приветственными телеграммами» — квантами — и таким образом «узнают» друг о друге: ага! на подлете другой электрон, нужно отталкиваться!

Точно так же происходит обмен электромагнитными квантами между электронами и протонами в одном атоме: они шлют друг другу постоянные опознавательные сообщения: привет! рядом противоположный заряд, надо притягиваться!

— Так может, поле состоит из квантов? — озарит кого-то внезапная мысль.

Мысль хорошая. Но неправильная.