いいえ、科学者は原子から空の空間を取り除くことはできません
あなたが宇宙の中で普通の物質で作られた物体を取るならば、人間が触れたり、見たり、他の方法で私たちの体を使って相互作用を検出することができるものは何でも—あなたはそれをより小さく、より小さな構成要素に分割することができることがわかります。 人体全体を臓器に分割することができ、それは順番に細胞で構成されています。 それぞれの細胞は、特殊な機能を持つ小さな構造であるオルガネラからなり、オルガネラは分子レベルで起こる相互作用に依存しています。
完全な分子群を構成するのは原子であり、問題の要素の個々の特性と特性を保持する通常の物質の最小構成要素である。 元素は、各原子の核内の陽子の数によって定義され、原子はその核を周回する電子からなる。 しかし、原子は内部のほとんどが空の空間であるという事実にもかかわらず、その空間を取り除く方法はありません。 ここでは、理由の話です。
原子は、最も基本的なレベルでは、体積が非常に小さい正電荷の原子核で構成されています。 電子：原子核内のすべての陽子のために、全体的な中性系を作成し、その周りを周回電荷の等しいと反対の量子があります。
しかし、原子核は非常に小さな体積に閉じ込められているのに対し、陽子の直径は1フェムトメーター、すなわち10^—15mの周りにあり、それ自体が点状の粒子である周回する電子は、三次元すべてで約1ångstrom（10^—10m）の体積を占める。
この大きな違いを実証した最初の実験は、物理学者アーネスト-ラザフォードが放射性粒子で金箔の薄いシートを砲撃した一世紀以上前のものです。
ラザフォードがしたことは簡単で簡単でした。 実験は、任意の方向からそれに遭遇する粒子を検出するように設計されたリング状の装置から始まりました。 リングの中央には、薄く槌で打たれた金箔が置かれていたので、20世紀初頭のツールでは測定できなかった厚さがわずか数百または数千の原子であった可能性が高い。
リングと箔の両方の外側に放射性物質が置かれ、ある方向から金箔を砲撃するようになった。 期待は、放出された放射性粒子は、充電象がティッシュペーパーの一部を見るだろう多くの方法金箔を見るだろうということでした：箔が全くなかったか
しかし、これはほとんどの放射性粒子にのみ当てはまることが判明しました。 それらのいくつか—数は少ないが極めて重要—彼らはハードと不動の何かから跳ね返ったかのように振る舞った。
そのうちのいくつかは片側または他の側に散らばっていましたが、他の人は彼らの起源の方向に向かって跳ね返っているように見えました。 この初期の実験は、原子の内部が以前に想定されていたような固体構造ではなく、非常に高密度で小さなコアとはるかに拡散した外側構造で構成されていたという最初の証拠を提供しました。 ラザフォード自身が述べたように、数十年後を振り返って,
“それは今まで私の人生の中で私に起こった最も信じられないほどのイベントでした。 あなたがティッシュペーパーで15インチのシェルを発射し、それが戻ってきて、あなたを襲ったかのように、それはほぼ同じくらい信じられな”
複合粒子で低、中、または高エネルギーの粒子を発射するこのタイプの実験は、深い非弾性散乱として知られており、任意の粒子系の内部構造をプロー
原子の場合、水素のような単純なものから金、鉛、ウランのような複雑なものまで、電子は原子核の範囲をはるかに超えて見つけることができます。 原子核は約1立方フェムトメーター（両側に10^-15メートル）の体積に閉じ込められているのに対し、電子は約101πの倍の体積に確率的に分布しています。 この特性は、どの要素を考慮するか、存在する電子の数（少なくとも1つである限り）、または電子または核を測定するために使用する方法とは無関係です。
原子がほとんど空の空間であるという事実は、今日、原子の構造について学ぶのとほぼ同時にこの事実を学ぶほとんどの小学生にも知られています。 これを学ぶと、彼らの多くは疑問に思います—私はあなたの多くが疑問に思うと確信しています—なぜあなたは原子核の大きさのように、その空のスペー
古典的な世界では、自然が私たちが慣れ親しんでいる規則によって演じられ、私たちの直感が予測するものと一致する古典的な世界では、粒子の位置を制御することは非常に簡単です。 しかし、量子レベルでは、自然のルールによって設定された基本的な制限があります：ハイゼンベルクの不確実性の原則。
原子核を周回する電子について知っていることはすべて知っていても、:
- それが占めるエネルギー準位、その量子状態が何であるか、
- 、そして周囲のエネルギー準位に他の何個の電子が存在するか,
本質的に不確実な多くの特性が依然として残っています。 特に、本質的に不確実な特性の1つは電子の位置であり、電子がどこにある可能性があるかの確率分布のみをプロットすることができます。
この理由は、位置と運動量の間の固有の量子不確実性です。 任意の粒子が持つ運動単位として考えることができる電子の運動量は、特定の測定を行うことによって一定の精度で知ることができます。
しかし、あなたの運動量を明らかにする測定がより正確であるほど、それを測定する行為が電子の位置に与える固有の不確実性が大きくなります。 逆に、電子の位置をより正確に測定しようとするほど、電子の運動量に誘発される不確実性は大きくなります。 より正確に測定すると、測定しないものに本質的に大きな不確実性が生じるため、これらの2つの量—位置と運動量—を同時に限られた精度でしか知るこ
電子は自然に我々は二つの理由のために原子核の周りに期待するようになってきた大きな体積を占めています。
- 電子が占める確率雲の大きさは、電子の電荷と質量の比に依存する。 陽子と同じ大きさの電荷を持つが、質量の1/1836だけでは、超強力な電磁力でさえ、電子を私たちが見るよりも小さい体積に限定することはできません。
- 電子を原子核に圧縮し、確率雲の外側の成分を制限する外向きの力は、超強力な格子で結合した原子でも非常に小さい。 二つの異なる原子中の電子間の力は、一緒に結合している原子中でさえ、原子核と電子との間の力に比べて非常に小さい。
これらの理由のそれぞれは、実際には機能するが、適用性が限られている回避策の希望を与えてくれます。
電子を同じ電荷を持つより巨大な粒子に置き換えることができます。 標準モデルには、電子と同じ電荷を持つ2つの電子様粒子が存在します：ミューオンとタウ。 ミューオンは電子の約200倍の質量であるため、ミューオン水素の原子（核の陽子を持つが、それを周回する電子の代わりにミューオンを持つ）は、標準的な水素の約200倍小さい。
ミューオン水素を他の多くの原子に結合させると、核融合の触媒として働き、標準的な核融合よりもはるかに低い温度とエネルギーで進行することが しかし、ミュオンは減衰する前に〜2マイクロ秒しか生きておらず、より巨大なタウはピコ秒未満しか生きていません。 これらのエキゾチックな原子は、長い間有用なままにするにはあまりにも一時的です。
あるいは、宇宙の一つの場所に信じられないほどの量の質量を積み重ねることによって、原子への圧力を非常に高めることができます。 孤立した個々の原子は、大きさがちょうどångstromかもしれませんが、あなたがその周りに星の価値のある材料を積み重ねると、その原子ははるかに限られた量を占めるように電子を”圧搾”する外圧を感じるでしょう。
圧力が大きいほど、電子はより閉じ込められ、原子は物理的な程度では小さくなります。 以前と同じ大惨事が発生する前に原子が耐えることができる外圧に制限があります：原子核は、それらの波動関数が重複し、核融合が発生することがで 白色矮星では、このしきい値は約1.4太陽質量で発生します;それを超えると、暴走した核融合反応を開始し、この場合はIa型超新星になります。
原子から空の空間を取り除き、物質が占める体積を数百万、数兆、またはそれ以上の要因で減少させるのは楽しいsfの夢かもしれません。 しかし、核を周回する電子が本質的に非常に大きな空間を占めるのではなく、粒子に固有の量子特性—質量、電荷、相互作用の強さ、量子の不確実性—がすべて結合して宇宙に存在する原子を作り出しているということです。
電子の安定で重い対応物、または物質を任意の密な状態に圧縮する能力を持っていたとしても、原子の中心の原子核が自発的に融合し、複数の原子の安定した配置がまったく存在しない量子閾値に遭遇するだろう。 私たちの原子はほとんど空の空間であるという事実は、分子、化学、そして生命の存在を可能にします。
原子から空の空間を取り除くことは楽しい思考実験かもしれませんが、原子は宇宙のルールのために彼らがしているサイズです。 私たちの存在は、その空の空間が存在することに依存していますが、自然の定数がそれらの価値を持っているので、心配しないでください。 それは他の方法ではありません。