У кінофільмах персонажі часто проходять крізь стіни, немов привиди — згадаймо Віжена з «Месників», що змінює свою щільність, або Гаррі Поттера, який проникає крізь Платформу 9¾. Це виглядає неймовірно легко та ефектно. Однак у реальному світі спроба такого трюку призвела б лише до синців на носі та численних запитань. Одне з таких запитань: чому ми не можемо ходити крізь стіни? Адже атоми, ці фундаментальні цеглинки матерії, переважно є порожнім простором. Крихітне ядро, що приблизно у 100 000 разів менше за весь атом, розташоване в його центрі, тоді як електрони обертаються далеко від нього. Тож чому ж тверді об’єкти на дотик такі… тверді?
Експерти з видання Live Science пояснили, що існують два визначальні фізичні принципи, які унеможливлюють проходження крізь тверді матеріали: електростатичне відштовхування та принцип виключення Паулі.
Принципи, що роблять стіни непрохідними
Класична фізика описує атом як ядро, що складається з протонів і нейтронів, навколо якого рухаються електрони. Позитивний заряд протонів і негативний заряд електронів притягуються один до одного, утримуючи атом цілісним. Однак у квантовій механіці — галузі фізики, що вивчає поведінку матерії та енергії на атомному та субатомному рівнях — електрон не рухається по чіткій орбіті. Натомість він формує своєрідну «хмару» — розмите поле, де він може перебувати. Рахім Хашмані, докторант з фізики Університету Вісконсин-Медісон, одного з провідних дослідницьких центрів США, назвав це «хмарою ймовірності». Ця хмара не рухається, вона лише вказує місця, де електрон з найбільшою вірогідністю може бути знайдений.
Ця хмара надає зовнішнім частинам атома негативного заряду. «Якщо я спробую пройти крізь стіну, атоми в моєму тілі «побачать» атоми в стіні, і вони будуть відштовхуватися один від одного», — пояснив Стівен Ролстон, фізик з Мерілендського університету, ще одного знаного американського освітнього закладу. Це явище називається електромагнітним відштовхуванням — так само, як ви намагаєтеся зблизити однакові полюси двох магнітів. При спробі пройти крізь стіну, електрони взаємодіють через електромагнітні хвилі. Ці хвилі є частиною сил, які не дозволяють атомам перекриватися, і саме тому тверда матерія зберігає свою форму та є на дотик такою щільною.
Але що, якби атоми були зіштовхнуті ще ближче? Тут на допомогу приходить принцип виключення Паулі. Цей визначальний принцип квантової механіки стверджує, що певні частинки, звані ферміонами (до яких належать електрони), не можуть перебувати в одному і тому ж енергетичному стані або займати одне і те ж місце одночасно. Тому, в цьому випадку, терміни «електрон» і «ферміон» можна використовувати як взаємозамінні.
«Коли ці хмари електронів починають зближуватися, вони перекриваються, що означає, що два електрони можуть ділити один і той же фізичний простір», — пояснив Хашмані. «Згідно з принципом виключення Паулі, це заборонено».
Обидва принципи — принцип виключення Паулі та електромагнітне відштовхування — запобігають зайняттю атомами одного і того ж простору. Без них тверда матерія, як ми її знаємо, не могла б утримувати свою форму. У рідинах і газах атоми мають більше свободи для переміщення, але ті ж правила все ще застосовуються. Вони лише не дозволяють атомам перекриватися, а не рухатися.
Неймовірна ймовірність: квантове тунелювання
Однак, навіть якщо практично неможливо, щоб об’єкти проходили один крізь одного, квантова механіка завжди пропонує цікаву відповідь: технічно існує крихітний шанс, що це могло б статися.
Частинки, як-от електрони, поводяться не як крихітні тверді кульки. Натомість вони також діють як хвилі, і ці хвилі іноді можуть виходити за межі фізичних бар’єрів.
Уявімо, що хвиля, яка представляє частинку, вдаряється об стіну — бар’єр, який вона не має достатньо енергії, щоб подолати. У класичній механіці, яка описує рух макроскопічних тіл, вона просто відскочила б. Але в квантовій механіці хвиля не зупиняється раптово, як зазначив Хашмані. Замість цього вона починає експоненційно згасати, проникаючи в бар’єр. Якщо стіна досить тонка, ця хвиля все ще може мати невелику присутність по інший бік. І оскільки хвиля представляє ймовірність того, де може знаходитися частинка, існує крихітний шанс, що частинка з’явиться по інший бік. Це явище називається квантовим тунелюванням.
Проте ймовірність того, що ціла людина пройде крізь стіну, «буде приблизно 1 до 10 у степені 10 у степені 30», — зауважив Хашмані. «Якщо ви введете це в калькулятор, він фактично видасть нуль. Жоден калькулятор на планеті не видасть щось, що не є нулем. Ось наскільки нескінченно мала ця ймовірність».
Ролстон погодився: «Це приблизно так близько до нуля, наскільки це можливо, але це не нуль. Це настільки нескінченно мало, що я впевнений, що цього не станеться за час існування Всесвіту».
