Почему мы не можем проходить сквозь стены? Удивительная физика твердости
В фильмах люди легко проходят сквозь стены, словно призраки — вспомните Вижена из «Мстителей» или Гарри Поттера, пробегающего через платформу 9¾. На экране это выглядит просто. Но в реальности такая попытка закончится лишь синяком на носу и множеством вопросов. Например: почему мы вообще не можем пройти сквозь стену?
Атомы, из которых состоит материя, на 99% представляют собой пустое пространство. В центре находится крошечное ядро (примерно в 100 000 раз меньше атома), а электроны вращаются вокруг него на огромном расстоянии. Тогда почему предметы кажутся такими… твердыми?
Как объяснили эксперты Live Science, этому препятствуют два физических принципа: электростатическое отталкивание и принцип запрета Паули.
Электроны-«охранники»
Обычно атом описывают так: ядро из протонов и нейтронов окружено электронами. Положительный заряд протонов и отрицательный электронов удерживает систему вместе. Однако в квантовой механике электрон ведет себя иначе. Он не движется по четкой орбите, а образует «облако» — зону, где его можно обнаружить с наибольшей вероятностью.
«Если я попытаюсь пройти сквозь стену, электроны в атомах моего тела “увидят” электроны в стене, и они начнут отталкиваться», — говорит Стивен Ролстон, физик из Университета Мэриленда. Это похоже на попытку сжать одинаковые полюса магнитов. Электромагнитное отталкивание не дает атомам слиться, сохраняя твердость предметов.
Принцип, который все меняет
Но что, если попытаться сблизить атомы сильнее? Тут вступает принцип запрета Паули. Он гласит, что фермионы (к ним относятся электроны) не могут находиться в одном квантовом состоянии или занимать одинаковое положение.
«Когда электронные облака сближаются, они перекрываются, и два электрона оказываются в одной точке. Принцип Паули запрещает это», — объясняет Рахим Хашмани, аспирант по физике из Университета Висконсина. В результате атомы буквально «отталкиваются» на квантовом уровне, поддерживая структуру материи.
А что насчет квантового туннелирования?
Теоретически, даже у человека есть мизерный шанс пройти сквозь стену благодаря квантовому туннелированию. Электроны ведут себя как волны, которые могут «просачиваться» сквозь барьеры. Если волна частицы сталкивается с препятствием, она не всегда отражается — иногда затухает внутри него. Если барьер достаточно тонкий, есть ничтожная вероятность, что частица окажется по другую сторону.
Но для человека вероятность такого сценария, как подсчитал Хашмани, равна 1 из 10^(10^30). «Это настолько близко к нулю, что даже калькулятор покажет ноль», — говорит он. Ролстон добавляет: «Это невозможно за время существования Вселенной».
Твердость мира вокруг — иллюзия, основанная на квантовых законах. Если бы не электростатическое отталкивание и принцип Паули, материя рассыпалась бы, как песок. А мечтать о способностях Вижена лучше оставить для киногероев — в реальности нас останавливают законы физики, которые, впрочем, делают мир стабильным и предсказуемым.
Интересный факт:
Согласно квантовой механике, ваш шанс спонтанно провалиться сквозь пол равен вероятности собрать автомобиль, бросив в воздух запчасти. Не пытайтесь повторить это дома!
