Почему мы не можем пройти сквозь стены несмотря на то, что атомы в основном состоят из пустоты

В кино и фантастике часто встречается сцена, когда герои легко проходят сквозь стены — будь то Вижен из "Мстителей" или Гарри Поттер, проходящий через стену на платформе №9¾. Это кажется настолько естественным и без усилий, что вызывает восхищение. Но в реальности подобный трюк не только невозможен, но и противоречит фундаментальным законам физики. В чем же причина?

Строение атома и миф о пустоте

Атомы, являющиеся строительными блоками всей материи, состоят из ядер и окружающих их электронных облаков. Ядро — это миниатюрный центр, в котором сосредоточены протоны и нейтроны. Оно примерно в 100 000 раз меньше всего атома. Электроны, в свою очередь, движутся по областьям, называемым "облаками вероятности", или "облаками электронов". Эти облака — это не твердые частицы, а квантовые волны, распространяющиеся по пространству с определенной вероятностью появления электрона в конкретных точках.

"Облака вероятности создают ощущение жесткости и плотности предметов, хотя фактически эти предметы состоят из очень маленьких частиц, разделенных огромным количеством пустого пространства."

Итак, если атомы состоят из ядра и окружающих его электронных облаков, почему материальные объекты кажутся такими твердыми и непроницаемыми?

Физические принципы, мешающие проходу сквозь стены

Два ключевых закона, мешающих нам проходить через материю, — это электромагнитное отталкивание и принцип исключения Паули.

Электромагнитное отталкивание

На классическом уровне атомы создают сильное электромагнитное взаимодействие. Электроны несут отрицательный заряд, а протоны — положительный. В результате, когда два объекта приближаются друг к другу, их электрические поля начинают взаимодействовать. Электроны в вашей руке и электроны в стене отталкиваются из-за одинаковых зарядов, создавая электромагнитный барьер. Этот эффект называют электромагнитным отталкиванием или электромагнитной репульсией. Именно он делает невозможным проникновение тела сквозь другую материю.

Принцип исключения Паули

Этот квантовый закон утверждает, что два фермиона (частицы с полуцелым спином, к примеру, электроны) не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии одновременно. В контексте атома это означает, что электроны должны заполнять энергетические уровни по определенным правилам, не пересекаясь друг с другом. Когда электроны пытаются приблизиться, их волновые функции начинают перекрываться, и это вызывает сильное сопротивление. В результате атомы, хоть и состоят из в основном пустого пространства, не могут сливаться или проникать друг в друга — их электронные облака плотные и не допускают соединения.

Почему атомы держат форму и не сливаются?

Комбинация электромагнитных сил и принципа Паули создает жесткую структуру материи. Вся твердость и ощущение плотности возникают из-за того, что электроны в атомах сопротивляются сжатию и проникновению в пространство друг друга. Если бы не эти законы, вещества не держали бы свою форму, и твердые тела превратились бы в пыль. Например, при попытке "пройти сквозь стену" ваши атомы столкнулись бы с атомами стены, и сильное электромагнитное отталкивание моментально их остановило.

Может ли квантовая механика изменить ситуацию?

На уровне квантовой механики существуют явления, которые кажутся фантастическими. Например, это явление, называемое "квантовым туннелированием" — процесс, при котором частицы могут "пройти" через потенциальные барьеры, будто бы проходя сквозь стену. В реальности, вероятность того, что целый человек сделает это, чрезвычайно мала. Согласно оценкам ученых, шанс прохождения человека через стену равен примерно 1 на 10 в степени 10 в степени 30. Это настолько ничтожное число, что его невозможно представить или вычислить, и оно практически равняется нулю.

"Квантовое туннелирование — это явление, при котором частицы, обладающие волновыми свойствами, могут обнаружиться на другой стороне барьера, несмотря на недостаток энергии для его преодоления."

Даже теоретически, для человека это событие было бы астрономически маловероятным. Поэтому в нашей жизни мы не можем просто пройти сквозь стены, несмотря на то, что атомы состоят из почти пустого пространства.

Заключение: почему мы не становимся призраками?

Понимание структуры атомов и фундаментальных физических законов объясняет, почему материальные объекты ощущаются твердыми и недоступными для прохождения сквозь них. Электромагнитные силы и принцип Паули создают мощный барьер, который не позволяет частицам и объектам сливаться, проходить или скользить через друг друга. Несмотря на то, что в атомах в основном пустота, эти законы удерживают всё в нужных пределах, обеспечивая стабильность и структуру материи. Получается, что даже при самой малой вероятности, законы квантовой механики сохраняют материю твердой и устойчивой, делая невозможным прохождение сквозь стены.

Это удивительное сочетание великой пустоты и мощных сил — причина, по которой наш мир остается стабильным и материальным, а фантастические сценарии путешествия сквозь стены — всего лишь фантазия и научная фантастика.