Почему мы не можем проходить сквозь стены, если атомы в основном состоят из пустого пространства?

В фильмах люди проходят сквозь стены, как призраки — вспомните Вижена из «Мстителей» или Гарри Поттера, бегущего через платформу 9¾. Это выглядит легко и естественно. Но в реальном мире подобный трюк закончился бы лишь ушибленным носом и множеством вопросов.

Один из таких вопросов, например: почему мы не можем проходить сквозь стены? Ведь атомы — строительные блоки материи — в основном состоят из пустого пространства. Крошечное ядро, которое примерно в 100 000 раз меньше всего атома, находится в центре, а электроны вращаются на большом расстоянии. Так почему же твёрдые предметы кажутся такими… твёрдыми?

Есть два физических принципа, которые делают невозможным прохождение сквозь твёрдые материалы: электростатическое отталкивание и принцип запрета Паули, рассказали эксперты Live Science.

Классически атом состоит из ядра, образованного протонами и нейтронами, и электронов, которые движутся вокруг него. Положительный заряд протонов и отрицательный заряд электронов притягиваются друг к другу, удерживая атом в целостности.

Но в квантовой механике электрон не движется по аккуратной окружности. Вместо этого он образует некое облако — размытый регион, где он может находиться. Это называется «облако вероятности», объяснил Раheem Хашмани, докторант физики в Висконсинском университете в Мэдисоне, в интервью Live Science. Это облако не движется. Оно просто существует, показывая области, где с наибольшей вероятностью можно найти электрон.

Именно это облако делает внешние границы атома отрицательно заряженными. «Если я попытаюсь пройти сквозь стену, атомы в моём теле “увидят” атомы в стене, и они будут отталкиваться друг от друга», — рассказал физик Стивен Ролстон из Университета Мэриленда.

Это называется электромагнитным отталкиванием — как тогда, когда вы пытаетесь соединить одинаковые полюса двух магнитов. При попытке пройти сквозь стену электроны взаимодействуют через электромагнитные волны. Эти волны являются частью сил, которые не дают атомам накладываться друг на друга и объясняют, почему твёрдая материя сохраняет форму и ощущается твёрдой.

Но что, если атомы попытаться прижать ещё ближе друг к другу?

Здесь вступает в действие принцип запрета Паули. Он гласит, что определённые частицы, называемые фермионами, не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии или занимать одно и то же место в одно и то же время. Электроны — это фермионы, так что в данном случае термины можно использовать как равнозначные.

«Когда эти электронные облака начинают приближаться друг к другу, они перекрываются, что означает, что два электрона могут как бы делить одно и то же физическое пространство, — объяснил Хашмани. — Согласно принципу запрета Паули, это невозможно».

Оба этих принципа — принцип запрета Паули и электромагнитное отталкивание — не позволяют атомам занимать одно и то же пространство. Без них твёрдая материя, в привычном нам виде, не сохраняла бы форму. В жидкостях и газах атомы имеют больше свободы для движения, но правила всё равно те же. Они лишь не дают атомам перекрываться, а не перемещаться.

Однако, даже если объектам почти невозможно проходить друг сквозь друга, квантовая механика всегда подкидывает любопытный ответ: технически существует крошечный шанс, что это всё же может произойти.

Частицы, такие как электроны, ведут себя не как маленькие твёрдые шарики. Вместо этого они также проявляют свойства волн, и иногда эти волны могут простираться за пределы физических барьеров.

Допустим, волна, представляющая частицу, сталкивается со стеной — барьером, через который у неё недостаточно энергии пройти. В классической механике она просто отразилась бы. Но в квантовой механике волна не останавливается внезапно, объяснил Хашмани. Вместо этого она начинает экспоненциально затухать, проникая внутрь барьера. Если стена достаточно тонкая, волна может иметь небольшое «присутствие» по другую сторону. А так как волна описывает вероятность того, где может находиться частица, существует крошечный шанс, что частица проявится по другую сторону. Это называется квантовым туннелированием.

Тем не менее вероятность того, что целый человек пройдёт сквозь стену, «будет что-то вроде 1 к 10 в степени 10 в степени 30», сказал Хашмани. «Если вы введёте это в калькулятор, он фактически покажет ноль. Ни один калькулятор на планете не выдаст что-то отличное от нуля. Настолько бесконечно мала эта вероятность».

Ролстон согласился: «Это примерно настолько близко к нулю, насколько вообще возможно, но это не ноль, — сказал он. — Вероятность настолько ничтожна, что я уверен: это не произойдёт за всё время существования Вселенной».

Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.