Мы знаем, что большая часть атомов, из которых состоит все вокруг, является пустотой, но почему состоящие из этих атомов твердые тела оказываются непроницаемыми? Ответ кроется в двух фундаментальных принципах физики — электростатическом отталкивании и принципе Паули. Вместе они создают невидимый, но абсолютно непреодолимый барьер, делающий материю твердой.
В классическом понимании атом состоит из ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и электронов, вращающихся вокруг него. Положительный заряд протонов и отрицательный заряд электронов притягиваются друг к другу, обеспечивая целостность атома. При этом электрон не движется по окружности. Вместо этого он образует своего рода облако — размытую область, где он может находиться. Это называется «облаком вероятности», — объясняет докторант физики из Висконсинского университета в Мадисоне Рахим Хашмани. Это облако не движется, это просто обозначение области, в которой с наибольшей вероятностью находится электрон.
Облако вероятности делает внешнюю часть атома отрицательно заряженной. Когда атомы вашего тела сталкиваются с атомами стены, их электронные оболочки начинают отталкиваться — подобно тому, как одинаковые полюса магнитов не дают им сблизиться. «Если я попробую пройти сквозь стену, электроны в моем теле и электроны в стене просто начнут отталкиваться друг от друга», — объясняет физик Стивен Ролстон из Университета Мэриленда.
Но даже если представить, что мы каким-то образом смогли бы заставить атомы сблизиться, на пути встает другой фундаментальный закон природы — принцип запрета Паули. Согласно этого принципа частицы-фермионы, к которым относятся и электроны, не могут находиться в одном и том же состоянии в одном месте и в одно время. Проще говоря, два электрона не имеют права «делить» одно пространство. «Когда электронные облака начинают перекрываться, это значит, что электроны оказываются как бы в одном месте, а по принципу Паули это невозможно», — поясняет аспирант Висконсинского университета Рахим Хашмани.
Вместе электростатическое отталкивание и принцип Паули гарантируют, что материя сохраняет форму и не распадается. Именно поэтому мы чувствуем твердость стены и не можем пройти сквозь нее. В газах и жидкостях атомы двигаются свободнее, но там эти законы тоже действуют — они позволяют частицам лишь скользить мимо друг друга, а не накладываться.
Однако квантовая механика добавляет в эту картину неожиданный поворот. Квантовый мир устроен иначе: в нем электрон — это не только частица, но и волна. При достижении барьера волна не прерывается резко, а постепенно затухает внутри него. И если барьер достаточно тонкий, часть волны может «просочиться» сквозь него. Это явление получило название квантового туннелирования.
С его помощью отдельные частицы действительно могут иногда оказаться по другую сторону стены — пусть вероятность этого и очень мала. Но надеяться, что это сработает для целого человека, бессмысленно. «Вероятность того, что человек пройдет сквозь стену, ничтожна. Она практически равна нулю», — говорит Хашмани.
Так что кинофантазии останутся фантазиями. Наш мир удерживают законы, которые не позволят телам проходить друг сквозь друга. И хотя квантовая механика оставляет крошечное «окно» возможностей, оно настолько мало, что пройти сквозь стену нам не удастся никогда. С другой стороны, именно незыблемые законы физики делают материю надежной — и позволяют нам уверенно стоять на полу, а не проваливаться сквозь него.
Ранее ученые объяснили, почему атомная бомба оставила на тротуарах Хиросимы тени людей.