Почему люди не проходят сквозь стены, если большинство атомов – пустое пространство: объяснение

В фантастическом и супергеройском кино мы порой видим, как персонажи проходят сквозь стены. Так мог Вижен из "Мстителей" и именно так делал Гарри Поттер, когда оказывался на платформе 9¾. Но в реальной жизни такое невозможно.

Видео дня

Но почему, если атомы, из которых состоит материя, по большей части содержат пустое пространство, твердое остается твердым и мы не можем проходить сквозь стены. Так физика учит, что крошечное ядро, которое примерно в 100 000 раз меньше целого атома, находится в центре, а электроны вращаются по орбитам вдали от него. Тем не менее, твердые тела остаются твердыми. Почему так происходит, разбиралось издание Live Science.

Существуют две физические концепции, которые делают невозможным прохождение сквозь твердые материалы: электростатическое отталкивание и принцип Паули. В классическом понимании атом состоит из ядра, состоящего из протонов, а также нейтронов и электронов, движущихся вокруг него. Положительный заряд протонов и отрицательный заряд электронов притягиваются друг к другу, удерживая атом целости.

Но в квантовой механике электрон не движется по окружности. Вместо этого он образует своего рода облако — размытую область, где может находиться. Это называется "облаком вероятности". Об этом изданию рассказал Рахим Хашмани, докторант физики из университета Висконсина в Мадисоне. Это облако не движется. Оно просто находится внутри, показывая места, где электрон с наибольшей вероятностью может быть.

Облако делает внешние части атома отрицательно заряженными. "Если я попытаюсь пройти сквозь стену, атомы моего тела увидят атомы в стене и оттолкнутся друг от друга", — рассказал Стивен Ролстон, физик из Мэрилендского университета.

Этот принцип называется электромагнитным отталкиванием — как при попытке сблизить одинаковые полюса двух магнитов. При прохождении сквозь стену электроны взаимодействуют с помощью электромагнитных волн. Эти волны являются частью сил, препятствующих накладыванию атомов друг на друга и благодаря которым твердое вещество остается и ощущается твердым.

Но что, если бы атомы были еще ближе друг к другу? Именно здесь вступает в силу принцип запрета Паули. Он гласит, что определенные частицы, называемые фермионами, не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии или в одном и том же месте одновременно. Электроны — это фермионы, поэтому в данном случае эти термины взаимозаменяемы.

"Когда эти облака электронов начинают сближаться, они перекрываются, а это означает, что два электрона могут занимать одно и то же физическое пространство. Согласно принципу запрета Паули, это недопустимо", — объяснил Хашмани

Оба понятия — принцип запрета Паули и электромагнитное отталкивание — не позволяют атомам занимать одно и то же пространство. Без них твердое вещество, каким мы его знаем, не сохраняло бы своей формы. В жидкостях и газах атомы имеют больше свободы движения, но сами правила все равно действуют. Они не позволяют атомам перекрываться вместо того, чтобы перемещаться.

Однако, даже если прохождение объектов друг сквозь друга практически невозможно, квантовая механика всегда предлагает интересный ответ: технически существует крошечная вероятность того, что это может произойти. Частицы, подобные электронам, не ведут себя как крошечные твердые шарики. Вместо этого они ведут себя как волны, и эти волны иногда могут преодолевать физические препятствия.

Предположим, волна, представляющая частицу, сталкивается со стеной — барьером, для преодоления которого у нее недостаточно энергии. В классической механике она просто отскочит. Но в квантовой механике, по словам Хашмани, волна не останавливается внезапно. Вместо этого она начинает экспоненциально затухать, достигая барьера. Если стенка достаточно тонкая, эта волна может все еще иметь небольшое присутствие по ту сторону. И поскольку волна является вероятностью того, где может находиться частица, существует крошечная вероятность того, что частица окажется по ту сторону стены. Это называется квантовым туннелированием.

Тем не менее, вероятность того, что человек пройдет сквозь стену целиком, "составляет примерно 1 к 10 в 10-й степени в 30-й степени", — сказал Хашмани. "Если подставить это на калькулятор, то получится фактически ноль. Ни один калькулятор на планете не даст вам ничего, что не равно нулю. Вот насколько бесконечно мала эта возможность", — объяснил он.

Ролстон согласился с коллегой, однако добавил кое-что. "Она максимально близка к нулю, но все же не равна нулю", — сказал он. "Она настолько бесконечно мала, что, я уверен, за всю историю Вселенной этого не произойдет", — предположил он.

Ранее OBOZ.UA объяснял, почему ядра атомов на самом деле не круглые.

Подписывайтесь на каналы OBOZ.UA в Telegram и Viber, чтобы быть в курсе последних событий.