Физик-ядерщик из Гамбурга Иоахим Шульц задается насколько простым, настолько и сложным вопросом: почему материя твердая? Почему люди не могут проходить сквозь стены, а предметы не проваливаются сквозь другие предметы? Классические представления о планетарной модели строения атома перестают работать в теории квантовой физики, способной объяснить, почему ядра атомов могут проникать сквозь фольгу, а чашка — не может провалиться сквозь стол. T&P приводит пересказ увлекательного и доступного исследования по материалам немецкого журнала SciLogs.

Что такое материя? Вопросы подобного рода всегда ввергают физиков в ужас. Слишком сложно ответить на такой абстрактный вопрос. Поэтому я решил посвятить свое исследование одному аспекту, о котором физику есть что сказать: почему материя непроницаема? Мы знаем о трех агрегатных состояниях материи: твердое, жидкое, газообразное. Особенностью материи является то, что она должна занимать некоторое место в пространстве. Если твердое тело падает в воду, оно ее вытесняет. Отношение массы твердого тела к массе вытесненной жидкости определяет, потонет тело или останется на плаву.

Ядерная физика демонстрирует нам иное положение вещей. Материя в преобладающей степени состоит из ничего. Атом обладает диаметром в пределах одного ангстрема (10-10 м). Атомное ядро, в котором находится вся масса, размером в несколько фемтометров (10-15 м). Это лишь одна десятитысячная от диаметра всего атома. А размер электронов, носящихся вокруг ядра, вообще не может быть установлен. Каким же образом такой легкий и эфемерный объект может что-то вытеснять? Почему тогда кофейная чашка не проваливается сквозь стол?

Экспериментальное доказательство пустоты атома первым привел Эрнест Резерфорд. Его опыт показал, что ядра гелия без электронов могут проникать сквозь тонкую металлическую фольгу. Закон непроницаемости материи существует благодаря электронам, но не распространяется на изолированные ядра атомов. Ядра без электронов летят прямиком сквозь материю, а ядра с электронной оболочкой застревают в ней.

Классическая теория частиц не может объяснить этого. Дело не в размере электронов, так как они предельно малы, а величина ядра гораздо больше. Секрет и не в электро-магнитном отталкивании, так как заряд ядер также больше, чем у электронов. Представление о том, что в атоме основной объем занимает вакуум, а лишь малую долю пространства — электроны и ядро, не годится для понимания непроницаемости материи.

Мы не должны понимать атомы как нечто пустое изнутри. Атомы не похожи на модель Солнечной системы; скорее, они являются чем-то вроде резиновых шариков. Под влиянием других атомов, находящихся рядом, эти шарики могут значительно деформироваться, образуя сложные переплетения и кристаллические структуры.

Электроны тоже занимают некоторое пространство. Но почему же тогда вышеупомянутые альфа-лучи свободно проходят через фольгу? Дело в том, что наше опытное мышление не может воспринять наличие двух частиц материи в одном и том же месте. А ядра атомов вполне могут находиться в рамках одного пространства с электронами. Следовательно, только электроны могут препятствовать прохождению сквозь материю другим электронам.

Объекты твердого материального мира не могут проникать сквозь предметы, так как большая часть их объема заполнена облаками медленных электронов. Эти облака — «твердые». Во всяком случае, они непроницаемы для таких же облаков электронов в соседних атомах.