Чому не можна пройти крізь стіну, якщо атоми — це здебільшого порожнеча: фізики дали відповідь

У фантастичних фільмах можна побачити, як люди проходять крізь стіни, немов привиди. Але в реальному світі це неможливо. Атоми, які є будівельними блоками матерії, в основному складаються з порожнього простору. Крихітне ядро, яке приблизно в 100 000 разів менше за весь атом, розташоване в центрі, а електрони обертаються навколо ядра на великій відстані. Чому ж люди не можуть проходити крізь стіни і чому ж тверді тіла здаються такими твердими? Існують два принципи у фізиці, які роблять проходження крізь тверді матеріали неможливим: електромагнітне відштовхування і принцип заборони Паулі, пише Live Science.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Особливість атома

Із чого складається атом? Він складається з крихітного ядра в центрі, що складається з протонів і нейтронів. Навколо ядра на великій відстані обертаються електрони. Протони мають позитивний заряд, а електрони — негативний. Тому ці частинки притягуються одна до одної й атом утримується в цілісності.

Фізик Рахім Хашмані з Вісконсинського університету в Мадісоні, США, пояснює, що в квантовій механіці електрони рухаються не по колу. Замість цього вони утворюють свого роду хмару, яка називається хмарою ймовірності. Ця хмара показує місця, де електрони знаходяться з найбільшою ймовірністю. Хмара робить зовнішні частини атома негативно зарядженими.

Чому ми не можемо пройти крізь стіну, хоча атоми майже повністю порожні?

Фізик Стівен Ролстон з Університету штату Меріленд каже, що якщо людина спробує пройти крізь стіну, то атоми її тіла побачать атоми в стіні і відштовхнуться один від одного. Це називається електромагнітним відштовхуванням і схоже на зближення однакових полюсів магніту.

Під час проходження крізь стіну електрони взаємодіють за допомогою електромагнітних хвиль. Ці хвилі є частиною сил, які перешкоджають перекриттю атомів і завдяки яким тверда речовина залишається твердою і відчувається як тверда.

Але що, якщо атоми зблизити ще більше? Саме тут вступає в дію принцип заборони Паулі. Він свідчить, що частинки, відомі як ферміони, не можуть перебувати в одному й тому самому енергетичному стані або в одному й тому самому місці одночасно. Електрони є ферміонами.

За словами Хашмані, коли ці хмари електронів починають зближуватися, вони перекриваються, а це означає, що два електрони можуть займати один і той самий фізичний простір. Але згідно з принципом заборони Паулі, це неможливо.

Принцип заборони Паулі та електромагнітне відштовхування не дозволяють атомам займати один і той самий фізичний простір. Без цих принципів фізики тверда речовина, якою ми її знаємо, не зберігала б свою форму. У рідинах і газах атоми мають більше свободи для переміщення, але діють ті самі правила. Вони просто не дозволяють атомам перекриватися, але дозволяють переміщатися.

У квантовій фізиці є крихітна ймовірність, що об'єкти можуть проходити крізь тверді тіла

Навіть якщо проходження об'єктів один крізь одного практично неможливе, згідно з квантовою механікою технічно існує крихітна ймовірність того, що це може статися.

Електрони не поводяться як крихітні тверді кульки. Вони також поводяться як хвилі, і ці хвилі іноді можуть долати фізичні бар'єри. Наприклад, хвиля, що представляє частинку, стикається зі стіною, для подолання якої у частинки не вистачає енергії. За словами Хашмані, у класичній механіці хвиля б просто відскочила. Але у квантовій механіці хвиля не зупиняється раптово. Замість цього вона починає експоненціально затухати, потрапляючи у фізичний бар'єр. Якщо стіна досить тонка, то хвиля частково може перебувати на іншій стороні стіни. Оскільки хвиля представляє ймовірність того, де може перебувати частинка, існує крихітна ймовірність того, що частинка з'явиться на іншій стороні. Це називається квантовим тунелюванням.

Яка ймовірність того, що людина зможе пройти крізь стіну?

Проте, за словами фізиків, імовірність того, що людина пройде крізь стіну цілком, фактично майже дорівнює нулю. Тобто це нескінченно маленька ймовірність.

Як уже писав Фокус, астрономи назвали дату, коли прокинеться чорна діра в центрі Чумацького Шляху і що буде із Землею. У центрі нашої галактики знаходиться гігантська надмасивна чорна діра, яка зараз є неактивною. Але астрономи з'ясували, коли чорна діра Стрілець А* знову стане активною і до чого це призведе в масштабах всієї галактики.

Також Фокус писав про те, що дослідження фізиків припускає, що великі планети можуть перетворюватися на чорні діри за допомогою темної матерії.