Все зря: почему мы никогда не пройдем сквозь стену, хотя наши атомы — одна пустота

В кино герои то и дело проходят сквозь стены, будто это обычная прогулка. Вспомните Вижна из «Мстителей» или Гарри Поттера, который забегает на платформу 9¾. Все выглядит очень просто. Но если вы попробуете повторить этот трюк в реальном мире, то в лучшем случае заработаете синяк на носу и кучу вопросов в голове.

Главный из них — почему мы вообще не можем этого сделать? Ведь атомы, из которых состоит вся материя, по сути, являются пустым пространством. В центре находится крошечное ядро, которое примерно в 100 000 раз меньше самого атома, а электроны вращаются где-то очень далеко. Так почему же твердые объекты на ощупь такие… твердые?

Как объясняют эксперты, есть два физических принципа, которые мешают нам творить чудеса: электростатическое отталкивание и принцип запрета Паули. Именно они делают мир таким, каким мы его знаем.

Физика не позволяет нам проходить сквозь стены, как каким-нибудь магам или супергероям. Но почему?

В классической физике атом представляют как ядро из протонов и нейтронов, вокруг которого по орбитам движутся электроны. Положительный заряд протонов и отрицательный заряд электронов притягиваются, что и удерживает атом в целости.

Но в квантовой механике все сложнее. Электрон не вращается по четкой окружности, а вместо этого формирует своего рода «облако» — размытую область, где он может находиться с наибольшей вероятностью. Как сообщают ученые, это облако создает вокруг атома отрицательный заряд. Когда вы пытаетесь дотронуться до стены, атомы в вашей руке сближаются с атомами в стене, и их электронные облака начинают отталкивать друг друга.

Это явление называют электромагнитным отталкиванием — тот же эффект, который вы чувствуете, когда пытаетесь соединить два магнита одинаковыми полюсами. Когда вы идете к стене, электроны взаимодействуют через электромагнитные волны. Эти волны являются частью сил, которые не дают атомам накладываться друг на друга и придают материи твердость.

Но что, если бы мы могли сблизить атомы еще сильнее?

Здесь в игру вступает принцип запрета Паули. Он гласит, что определенные частицы, которые называют фермионами, не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии или в одном и том же месте одновременно. Электроны как раз относятся к фермионам.

Когда облака электронов начинают сближаться, они перекрываются. Это означает, что два электрона могут оказаться в одном и том же физическом пространстве. А согласно принципу Паули, это категорически запрещено.

Оба этих принципа — и электромагнитное отталкивание, и запрет Паули — не позволяют атомам занимать одно и то же пространство. Без них твердая материя, какой мы ее знаем, просто не могла бы сохранять свою форму. В жидкостях и газах атомы имеют больше свободы для движения, но те же правила продолжают действовать. Они просто мешают атомам перекрываться, а не перемещаться.

Однако, даже если прохождение сквозь объекты практически невозможно, квантовая механика всегда предлагает интересный ответ: технически, есть крошечный шанс, что это может произойти.

Частицы, вроде электронов, ведут себя не как крошечные твердые шарики. Они также проявляют свойства волн, а эти волны иногда могут преодолевать физические барьеры.

Представим, что волна, которая соответствует частице, ударяется о стену — барьер, для преодоления которого у нее недостаточно энергии. В классической механике она бы просто отскочила. Но в квантовой механике, по словам ученых, волна не останавливается мгновенно. Вместо этого она начинает экспоненциально затухать, когда входит в барьер. Если стена достаточно тонкая, эта волна все еще может иметь небольшое присутствие на другой стороне. А поскольку волна представляет вероятность нахождения частицы, есть крошечный шанс, что частица появится по ту сторону. Это явление называют квантовым туннелированием.

Тем не менее, вероятность того, что целый человек пройдет сквозь стену, составляет примерно 1 к 10 в степени 10 в 30-й степени. Если вы введете это число в калькулятор, он фактически покажет вам ноль. Ни один калькулятор на планете не выдаст результат, который отличается от нуля. Вот насколько мала эта вероятность. Это настолько близко к нулю, насколько это вообще возможно, но все же не ноль. Вероятность настолько ничтожна, что можно с уверенностью сказать: за все время существования Вселенной этого еще не случалось.

Вас разорвет на атомы. Ученый объяснил, почему падение в черную дыру — худшая смерть во Вселенной

Сообщение Все зря: почему мы никогда не пройдем сквозь стену, хотя наши атомы — одна пустота появились сначала на DGL.RU - Цифровой мир: новости, тесты, обзоры телефонов, планшетов, ноутбуков.