Почему нельзя пройти сквозь стену

Согласно теории, вся материя и объекты состоят из частиц, называемых атомами. Каждый из этих атомов состоит из невероятно маленького ядра и еще меньших электронов, которые вращаются вокруг ядра на очень большом расстояние от центра.

Это правда, что атомы в основном пустое пространство на 99,9999%. Если бы атом гелия был размером с Землю, электроны были бы вне земной атмосферы, а протоны и нейтроны в ядре были бы размером с футбольный мяч.

Так почему же наши пальцы не проходят сквозь атомы, и почему мы не проходим сквозь стены?

Чтобы объяснить это, мы должны посмотреть на электроны. К сожалению, многое из того, чему нас учат в школе, упрощено — электроны не вращаются вокруг ядра атома, подобно планетам вокруг Солнца, как вас, возможно, учили. Вместо этого, подумайте об электронах как о рое пчел, где отдельные движения слишком быстры, чтобы отследить их, но вы можете видеть форму всего роя.

На самом деле, электроны «танцуют». Но это не случайный танец — это больше похоже на бальные танцы, где они движутся по заданным схемам, следуя шагам, установленным математическим уравнением Эрвина Шредингера.

Эти схемы могут варьироваться — некоторые из них медленные и спокойные, а некоторые быстрые и энергичные. Каждый электрон придерживается одной и той же схемы, но время от времени он может менять ее на другую, если ни один другой электрон уже не использует этот паттерн. Никакие два электрона в атоме не могут занять одно и тоже место: это правило называется принципом исключения Паули.

В целом, можно сказать, что материя не проходит через другую материю главным образом из-за принципа исключения Паули и из-за электромагнитного отталкивания электронов. Чем ближе вы приближаете два атома, т. е. чем больше областей ненулевого ожидания для их электронов перекрываются, тем сильнее будет отталкивание из-за принципа Паули, так как никогда не может случиться, что два электрона обладают точно таким же спином и такой же вероятностью, чтобы быть найденными в пространстве.

Хотя электроны никогда не устают, переход на более быстрый шаг требует энергии. И когда электрон движется к более медленному «танцу», он теряет энергию, которую он отдает. Поэтому, когда энергия в виде света падает на электрон, он может поглотить некоторую энергию и перейти к более высокому, более быстрому “танцу”. Луч света не пройдет далеко через кирпичную стену, так как электроны во всех атомах стремятся захватить некоторую энергию от этого луча.

Через очень короткое время они теряют полученную энергию. Изменения в структуре поглощенного и отраженного света дают отражения и цвета — поэтому мы видим стену сплошной.

Итак, почему мы чувствуем, что стена твердая? Если вы дотронетесь до стены, то электроны из атомов в ваших пальцах станут ближе к электронам в атомах стены. По мере того как электроны в одном атоме оказываются достаточно близко к ядру другого, картина их танцев меняется.

Это происходит потому, что электрон на низком энергетическом уровне вокруг одного ядра не может сделать то же самое вокруг другого — этот интервал уже занят одним из его собственных электронов. Новый электрон должен вступить в незанятую, более энергичную схему. Эта энергия должна быть обеспечена уже не светом, а силой вашего прикосновения.

Таким образом, толкая только два атома ближе друг к другу, вы отдаете энергию, так как все их электроны должны перейти в незанятые высокоэнергетические состояния. Попытка соединить все атомы стены и атомы пальцев потребует огромного количества энергии — больше, чем ваши мышцы могут дать.

В итоге вы чувствуете это как возрастающее сопротивление своей руке, вот почему стена ощущается твердой на ощупь. Кроме того, это означает, что вы никогда не получите шанс пройти сквозь стену.