Прямо сейчас вы, скорее всего, сидите на стуле или держите в руке телефон. Вы чувствуете твердость пластика, мягкость ткани или тепло чужой руки при рукопожатии. Ваш мозг и житейский опыт твердят: «Ты касаешься предметов. Это настоящее. Это твердое».
Но если спуститься на уровень атомов, нам откроется шокирующая истина. За всю свою жизнь вы ни разу, ни на долю секунды, ни к чему не прикоснулись по-настоящему. Вы никогда не касались еды, которую едите. Вы никогда не касались людей, которых обнимаете.
Если смотреть с колокольни фундаментальной науки, вы всю жизнь парите в воздухе, левитируя на ничтожном расстоянии от всего окружающего мира. Пойдёмте разбираться, почему физика запрещает нам касаться друг друга.
Атомы — это пустота
Чтобы понять природу осязания, нужно вспомнить, из чего мы состоим. В школе нам часто рисовали атом как планетную систему: в центре ядро, а вокруг летают шарики-электроны. Эта картинка создает ложное впечатление о плотности.
На самом деле атом — это на 99,9999999% пустота. Если увеличить ядро атома до размеров футбольного мяча и положить его в центр стадиона, то первые электроны будут летать где-то за трибунами. Все остальное — пустое пространство. Если убрать из человечества всю межатомную пустоту, то все 8 миллиардов человек можно уместить в кубик размером с кусок сахара.
Возникает вопрос: если мы и пол под нами состоим из пустоты, почему мы не проваливаемся сквозь землю, как призраки? Почему пустота ударяется о пустоту и останавливается?
Силовые поля вместо стенок
Представьте, что вы берете два мощных магнита и подносите их друг к другу одинаковыми полюсами («плюс» к «плюсу»). Вы почувствуете упругое сопротивление. Между магнитами только воздух, но невидимая сила не дает им коснуться. Чем сильнее давите, тем сильнее отталкивание. Кажется, что между ними пружина.
Именно это происходит, когда вы садитесь на стул.
Все атомы окутаны облаком электронов, имеющих отрицательный заряд. Одноименные заряды отталкиваются. Электроны ваших брюк и электроны сиденья стула «ненавидят» друг друга. Как только они сближаются на критическое расстояние (около одной стомиллионной доли сантиметра), возникает мощнейшее электромагнитное отталкивание.
Технически вы не сидите на стуле. Вы парите над ним на высоте нескольких нанометров, поддерживаемые «подушкой» из силовых полей. Вы — ховерборд, который всегда носит эту подушку с собой.
Квантовая полиция: Принцип Паули
Но есть еще один закон, который даже строже электричества, — Принцип запрета Паули. Это правило квантовой механики гласит: две одинаковые частицы (электроны) не могут находиться в одном состоянии в одном месте одновременно.
Это похоже на игру в музыкальные стулья, где на каждом стуле может сидеть только один человек. Если все «квантовые места» в атомах стула заняты, ваши электроны просто не могут туда втиснуться. Атомы ведут себя как твердые шарики не потому, что они твердые внутри, а потому что законы Вселенной запрещают им смешиваться. Именно этот принцип делает материю «жесткой» и не дает вам провалиться к центру Земли.
Но я же чувствую?!
«Допустим, зазор есть, — скажете вы. — Но почему я чувствую давление?»
То, что ваш мозг называет «осязанием», — это просто реакция датчиков на деформацию. У вас в коже есть нервные окончания. Когда вы подносите палец к столу, силы отталкивания начинают давить на электроны вашей кожи. Кожа прогибается под действием этого невидимого поля. Нервы фиксируют искажение и шлют сигнал в мозг: «Мы коснулись чего-то твердого».
Вы чувствуете не предмет. Вы чувствуете силу отталкивания, которая деформирует вашу руку.
А если коснуться по-настоящему?
Возможно ли истинное касание, когда ядра атомов столкнутся? В теории — да. Но вам это не понравится. Чтобы прорваться дальше электронных оболочек, нужна колоссальная энергия. Такое происходит внутри звезд или при термоядерном взрыве.
Если бы вы смогли сжать пальцы с такой силой, чтобы коснуться стола «по-настоящему», ваши атомы слились бы с атомами стола, выделив энергию, способную уничтожить город. Так что наша неспособность к контакту — гарантия нашей безопасности.
В итоге
Мы все заперты в своих электромагнитных клетках и никогда не соединяемся материей. Но физика утешает: мы всегда обмениваемся фотонами. Тепло, которое вы чувствуете от руки близкого человека, — это излучение, перелетающее через тот самый нанометровый зазор. Вы не касаетесь друг друга атомами, но вы «трогаете» друг друга энергией. И, возможно, такая связь даже глубже.