Чому люди не проходять через стіни, якщо більшість атомів – порожній простір: пояснення

У фантастичному і супергеройському кіно ми часом бачимо, як персонажі проходять крізь стін. Так міг Віжен з "Месників" і саме так робив Гаррі Поттер, коли опинявся на платформі 9¾. Але в реальному житті таке неможливо.

Відео дня

Проте чому, якщо атоми, з яких складається матерія, здебільшого містять порожній простір, тверде залишається твердим і ми не можемо проходити крізь стіни. Так фізика вчить, що крихітне ядро, яке приблизно в 100 000 разів менше за цілий атом, знаходиться в центрі, а електрони обертаються по орбітах далеко від нього. Тем не менше, тверді тіла залишаються твердими. Чому так відбувається, розбиралось видання Live Science.

Існують дві фізичні концепції, які унеможливлюють проходження крізь тверді матеріали: електростатичне відштовхування та принцип Паулі. У класичному розумінні атом складається з ядра, що складається з протонів, а також нейтронів і електронів, що рухаються навколо нього. Позитивний заряд протонів та негативний заряд електронів притягуються один до одного, утримуючи атом цілим.

Але в квантовій механіці електрон не рухається по окружності. Натомість він утворює свого роду хмару — розмиту область, де може перебувати. Це називається "хмарою ймовірності". Про це виданню розповів Рахім Хашмані, докторант фізики з університету Вісконсіна в Мадісоні. Ця хмара не рухається. Вона просто знаходиться всередині, показуючи місця, де електрон із найбільшою ймовірністю може бути.

Хмара робить зовнішні частини атома негативно зарядженими. "Якщо я спробую пройти крізь стіну, атоми мого тіла побачать атоми в стіні і відштовхнуться один від одного", — розповів Стівен Ролстон, фізик з Мерілендського університету.

Цей принцип називається електромагнітним відштовхуванням — як при спробі зблизити однакові полюси двох магнітів. При проходженні крізь стіну електрони взаємодіють за допомогою електромагнітних хвиль. Ці хвилі є частиною сил, що перешкоджають накладанню атомів один на одний і завдяки яким тверда речовина залишається і відчувається твердою.

Але що, якби атоми були ще ближчі один до одного? Саме тут набуває чинності принцип заборони Паулі. Він говорить, що певні частинки, звані ферміонами, не можуть перебувати в тому самому енергетичному стані або в тому самому місці одночасно. Електрони — це ферміони, тож у цьому випадку ці терміни взаємозамінні.

"Коли ці хмари електронів починають зближуватися, вони перекриваються, а це означає, що два електрони можуть займати один і той же фізичний простір. Згідно з принципом заборони Паулі, це неприпустимо", — пояснив Хашмані

Обидва поняття — принцип заборони Паулі та електромагнітне відштовхування — не дозволяють атомам займати один і той же простір. Без них тверда речовина, якою ми її знаємо, не зберігала б своєї форми. У рідинах і газах атоми мають більше свободи руху, але самі правила все одно діють. Вони не дозволяють атомам перекриватись замість того, щоби переміщуватись.

Однак, навіть якщо проходження об'єктів один крізь одного практично неможливе, квантова механіка завжди пропонує цікаву відповідь: технічно існує крихітна ймовірність того, що це може статися. Частинки, подібні до електронів, не поводяться як крихітні тверді кульки. Натомість вони поводяться як хвилі, і ці хвилі іноді можуть долати фізичні перешкоди.

Припустимо, хвиля, що представляє частинку, стикається зі стіною — бар'єром, для подолання якого у неї недостатньо енергії. У класичній механіці вона просто відскочить. Але у квантовій механіці, за словами Хашмані, хвиля не зупиняється раптово. Натомість вона починає експоненційно згасати, досягаючи бар'єру. Якщо стінка досить тонка, ця хвиля може все ще мати невелику присутність по той бік. І оскільки хвиля є ймовірністю того, де може знаходитися частинка, існує крихітна ймовірність того, що частинка виявиться по той бік стіни. Це називається квантовим тунелюванням.

Тим не менш, ймовірність того, що людина пройде крізь стіну цілком, "становить приблизно 1 до 10 в 10-му ступені в 30-му ступені", — сказав Хашмані. "Якщо підставити це на калькулятор, то вийде фактично нуль. Жоден калькулятор на планеті не дасть вам нічого, що не дорівнює нулю. Ось наскільки нескінченно мала ця можливість", — пояснив він.

Ролстон погодився із колегою, проте додав дещо. "Вона максимально близька до нуля, але все ж таки не дорівнює нулю", — сказав він. "Вона настільки нескінченно мала, що, я впевнений, за всю історію Всесвіту цього не станеться", — припустив він.

Раніше OBOZ.UA пояснював, чому ядра атомів насправді не круглі.

Підписуйтесь на канали OBOZ.UA в Telegram і Viber, щоб бути в курсі останніх подій.