Мы точно знаем, что атомы притягиваются друг к другу и сегодня этот факт не вызывает у учёных никаких сомнений. Именно благодаря взаимодействию из отдельных атомов формируется любой материал.

Столь сложное и интересное взаимодействие обычно преподносится учебниками "как оно есть". Но смею предположить, что эта чуть ли не самая главная сила во Вселенной достойна куда более детального изучения. Помимо факта существования притяжения, хотелось бы что-то узнать и про его механизм. Давайте попробуем найти относительно понятное и доступное всем описание принципа работы притяжения между атомами, которое будет выходить за рамки "просто потому, что".

Пару слов о конструкциях из атомов

Все материальные тела, которые состоят из вещества, имеют некоторую общую конструкцию. Вещество и материю полезно было бы логически разделять, но не будем сейчас на этом акцентироваться. Просто примем эти слова как синонимы в контексте этой статьи.

В конструкции материального объекта атомы обычно упорядочены и их поведение описывается агрегатными состояниями. Для простоты будет рассматривать твёрдое состояние. Атомы в его составе объединены друг с другом и сформировали некоторую общую структуру. Таких структур существует очень много и они характерны для каждого типа материалов, но не будем сейчас об этом. Важно главное - есть некоторая сила, которая заставляет атомы внутри тела притягиваться.

Помимо притяжения ещё есть и сила отталкивания, которая не даёт атомам приблизиться друг к другу больше, чем на некоторое критическое расстояние.

В итоге любой каркас из атомов представляет собой баланс между притяжением частиц и их отталкиванием. Эти силы присутствуют в любой форме материала и есть при любом агрегатном состоянии, вопрос лишь в воздействии прочих факторов. Опустим сейчас проблему отталкивания между атомами, которая не менее интересна, и не станем подробно описывать особенности структур. Сконцентрируемся на притяжении частиц.

Если заглядывать чуть глубже, чем это подразумевает описание "особая сила между атомами", то у притяжения есть, как минимум, две глобальных причины. Это гравитационное взаимодействие, которое наблюдается для любых тел, обладающих массой, и электростатическое взаимодействие.

Гравитационное взаимодействие между атомами

Гравитационное взаимодействие придётся упомянуть, поскольку любой атом и многие субатомные частицы обладают массой. У объектов, обладающих массой, всегда есть и взаимное гравитационное притяжение. Но его реальное влияние на систему можно опустить в виду того, что это сотые или даже тысячные доли процента от общей силы притяжения. Вы можете рассчитать конкретные цифры по легендарное формуле гравитации Ньютона.

Про гравитацию я как-то писал даже на Хабре. Там есть некоторый общепринятый механизм. Среди множества теорий современная физика серьезно рассматривает гравитацию Эйнштейна и есть ряд подтверждений, что это и правда так работает (например, гравитационные волны).

Между частицами всё работает точно также, как и между обычными объектами. Это материальные тела и у них есть масса. Современная физика описывает гравитационное притяжение, как реакцию тела на искажение пространства-времени рядом с массивными объектами.

Когда массивный объект оказывается рядом с искажением в пространстве, происходит то, что мы воспринимаем, как притяжение между телами. Эта логика очень поверхностная и никаких воронок в пространстве, в общем-то, и нет. Всё это сильно искаженные умозрительные конструкции, а опираться лучше было бы на математические выкладки. Но для создания общей картины этой информации нам вполне достаточно, а полное отсутствие визуализации сделает невозможным быстрое понимание логики процесса.

Получается, что гравитация заставляет частицы притягиваться, но сила эта незначительная.

Природа электростатики

Вторая сила, которая и делает основной вклад в процесс удержания атомов рядом друг с другом - это электростатическая сила.

Логика простая - положительное ядро атома из протонов и нейтронов перехватывает чужие отрицательные электроны. Образуется взаимодействие и протоны одного атома начинают притягивать электроны другого. Вот и весь механизм.

Вы наверняка знаете, что есть такой закон Кулона. Он численно описывает притяжение между частицами и формализует электростатическое взаимодействие. Но согласитесь, этого явно маловато для погружения в самую суть вопроса и причины нам так и неизвестны.

Электростатическая сила чаще всего приводится просто как факт. Но если есть сила, то есть и причина. Удивительно, но прямого однозначного ответа тут нет. История примерно такая же, как и с гравитацией. Впрочем, есть разные теории, которые мы сейчас и обсудим. В отличие от взглядов на гравитацию, все эти подходы воспринимаются физиками как взаимодополняющие.

В мире физики одно и то же явление часто можно описать с помощью разных моделей - от простых и интуитивных до невероятно сложных. И каждый уровень точности раскрывает новую глубину понимания. Главное при этом - не путать модели между собой. В нашем случае можно выделить три таких модели. Но на самом деле их значительно больше, а эти просто самые "понятные и непротиворечивые".

Действие на расстоянии

Эта идея пришла к нам ещё из эпохи Ньютона, который объяснял гравитацию так: одно тело воздействует на другое просто потому, что они существуют и находятся на определённом расстоянии друг от друга. Причём сила сразу же «узнаёт», где находится второе тело без каких-либо промежуточных механизмов.

Такой подход не требует дополнительных объяснений. Как говорил сам Ньютон - «hypotheses non fingo» (я не измышляю гипотез). В рамках этой модели взаимодействие кажется мгновенным и не нуждается в уточнениях о том, как именно сила передаётся и посредством чего. Перевожу на русский - она просто почему-то есть. Этакая сугубо инженерная физика.

Поле и сила, у которой есть носитель

С развитием науки стало ясно, что простого «действия на расстоянии» не хватает, особенно когда речь идёт о движущихся и ускоряющихся частицах. Тогда появилась идея поля.

Поле - это уже самостоятельная сущность, которая существует в пространстве и подчиняется своим законам. Когда заряды ускоряются, поле начинает «жить своей жизнью» и становится посредником, передающим силы между частицами. Например, в электромагнитном взаимодействии именно электромагнитное поле отвечает за передачу силы от одного заряда к другому. Если заряды покоятся или движутся равномерно, поле просто «маскируется», и картина сводится к привычному действию на расстоянии.

Дальше много вопросов относительно самого взаимодействия. Тут есть разные взгляды на вопрос. Самый простой для понимания - сами заряды и есть проявление поля. Они связаны друг с другом как невидимой тканью и представляют колебания в ней. Если эти колебания оказываются на некотором подходящим расстоянии, то они начинают притягиваться или отталкиваться. На практике поведение поля мы воспринимаем как притяжение.

Резюмируя этот подход мы должны сказать, что положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу потому, что они являются двумя сторонами одной медали. Это и есть проявление поля, к которому они относятся, а притяжение формируется в результате формирования волновых взаимодействий между двумя объектами внутри этого поля.

Квантовое поле

Современная физика пошла ещё дальше и описывает взаимодействия с помощью квантовых полей. В квантовой электродинамике притяжение между электроном и протоном объясняется обменом квантами электромагнитного поля - фотонами.

Это уже не просто непрерывное классическое поле, а система частиц-переносчиков взаимодействия, которая подчиняется законам квантовой механики. Такая модель позволяет объяснять эффекты, которые классическая теория не могла описать - например, почему атомы излучают свет.

Электрон, отдавая фотон протону, при этом образует что-то типа связки. Тут крайне сложно пытаться найти материальные аналогии. Их и не может быть. Можете представить себе что-то типа водоворота, где потоки воды - это виртуальные обменные фотоны, а какие-то упавшие в воронку объекты - притягивающиеся частицы. Иногда представляют, что человек на телеге бросает предмет и начинает откатываться. В нашем же случае было бы логично представить, что один человек бросает другому арбузы, а второй их ловит. Акт бросок-поимка и воспринимаются как обмен, связывающий объекты. Опять-таки, напомню, что нет прямой материальной аналогии. Есть тезис, что обмен виртуальным фотоном воспринимается нами, как притяжение частиц.

Впрочем, есть ещё один интересный взгляд на проблему - частицы могут притягиваться по простой причине. Вероятность их расположения рядом вдруг оказалась максимальной. По логике этого подхода всё работает примерно как прохождение непреодолимого квантового барьера в туннельном эффекте. Частица обладает суперпозицией вариантов и есть ненулевая вероятность, что она оказывается за непроницаемым барьером. В какой-то момент она там "проявляется", а для нас это как хождение сквозь стены. Также могут вести себя притягивающиеся заряды, которые в какой-то момент вероятнее всего оказываются близко.

Для чего эти модели?

Каждая из моделей подходит для своего уровня задач. Для грубых оценок сойдёт действие на расстоянии. Когда нужно учитывать ускорения и излучение - лучше перейти к полям. Если вы хотите понять тонкие эффекты в микромире - без квантовой электродинамики не обойтись.

Какая модель тут правильная? Прямого ответа, конечно же, нет. Будет ли физика предлагать новые модели? Скорее всего будет.

Сейчас мы можем ответить на поставленный вопрос, исходя из двух последних пунктов. Природу притяжения между частицами определяет их связь через электрическое поле, которая на практике воспринимается как притяжение или квантовая специфика рассматриваемых объектов, которая предполагает наличие обменного фотона. Поглощение или испускание обменного фотона между частицами в группе воспринимается нами как притяжение. Более экстравагантный вариант предлагает рассматривать это явление как вероятность расположения квантовых объектов близко друг к другу.

Если вам понравился этот материал, то наверное будет интересно зайти в гости ко мне в Telegram. Всем спасибо.