اگر بیشتر فضای اتم‌ها خالی است، چرا نمی‌توانیم از دیوار عبور کنیم؟

زومیت/ بیشتر فضای اتم‌ها خالی است، اما اجسام همچنان سخت و نفوذناپذیرند. این معما با دو اصل بنیادی فیزیک توضیح داده می‌شود.

در دنیای فیلم‌ها و داستان‌های تخیلی، شخصیت‌ها به‌راحتی می‌توانند مثل شبح از دیوارها عبور کنند؛ صحنه‌هایی مثل ویژن در انتقام‌جویان یا هری پاتر هنگام گذر از سکوی نه و سه‌چهارم نمونه‌های آشنایی هستند. اما در دنیای واقعی، تلاش برای انجام چنین کاری نتیجه‌ای کاملاً متفاوت دارد: نه تنها هیچ‌کس نمی‌تواند از میان دیوار عبور کند، بلکه در بهترین حالت با بینی زخمی یا پیشانی کبود به پایان می‌رسد.

---

بازار

---

همین تناقض ساده، ذهن ما را به پرسشی عمیق‌ می‌کشاند: چرا نمی‌توانیم مثل شخصیت‌های تخیلی از موانع جامد عبور کنیم؟ مگر نه اینکه بیشتر فضای درون اتم‌ها که اجزای اصلی تشکیل‌دهندهٔ دیوار و بدن ما هستند، خالی است؟

اتم‌ها که اجزای سازندهٔ ماده هستند، عمدتاً از فضای خالی تشکیل شده‌اند. هسته‌ی بسیار کوچک که تقریباً صدهزار بار کوچک‌تر از کل اتم است، در مرکز قرار دارد، در حالی که الکترون‌ها خیلی دورتر به دور آن می‌چرخند. پس چرا اجسام جامد، این‌قدر «جامد» به نظر می‌رسند؟

دو مفهوم فیزیکی باعث می‌شوند عبور از مواد جامد غیرممکن باشد: دافعه الکترواستاتیکی و اصل طرد پاولی. در فیزیک کلاسیک، اتم هسته‌ای دارد که از پروتون و نوترون ساخته شده و الکترون‌ها به دور آن حرکت می‌کنند. بار مثبت پروتون‌ها و بار منفی الکترون‌ها همدیگر را جذب می‌کنند و اتم را در کنار هم نگه می‌دارند.

اما در مکانیک کوانتومی، الکترون‌ها در مدار مرتب و مشخصی حرکت نمی‌کنند. در عوض، شکلی ابرمانند ایجاد می‌کنند که درواقع ناحیه‌ی مبهمی است که احتمال حضورشان در آن بیشتر است. این ابر حرکت نمی‌کند، بلکه صرفاً نشان می‌دهد احتمال حضور الکترون در کجا بیشتر است (ابر احتمال).

طبق دو مفهوم دافعه الکترواستاتیکی و اصل طرد پاولی عبور از مواد جامد غیرممکن است

ابر الکترونی باعث می‌شود لبه‌های بیرونی اتم دارای بار منفی باشند. استیون رولستون، فیزیک‌دان دانشگاه مریلند، در گفت‌وگو با لایوساینس توضیح می‌دهد: «اگر بخواهم از یک دیوار عبور کنم، اتم‌های بدنم با اتم‌های دیوار مواجه می‌شوند و این اتم‌ها یکدیگر را دفع می‌کنند.» به این پدیده «دافعه الکترومغناطیسی» گفته می‌شود که مثل وقتی است که سعی می‌کنید دو قطب هم‌نام آهن‌ربا را به هم نزدیک کنید و آن‌ها همدیگر را پس می‌زنند.

هنگام تلاش برای عبور از دیوار، الکترون‌های بدن ما با الکترون‌های دیوار ازطریق نیروهای الکترومغناطیسی برهم‌کنش دارند. همین نیروها هستند که از هم‌پوشانی اتم‌ها ممانعت می‌کنند و باعث می‌شوند ماده جامد شکل خود را حفظ کند و سخت و محکم به نظر برسد. اما اگر اتم‌ها بیشتر به‌هم فشرده شوند، چه اتفاقی می‌افتد؟

اینجا اصل طرد پاولی وارد عمل می‌شود. این اصل بیان می‌کند که ذراتی خاص، به نام فرمیون‌ها، نمی‌توانند همزمان در یک حالت انرژی یکسان باشند یا دقیقاً در یک مکان قرار بگیرند. الکترون‌ها هم جزو فرمیون‌ها هستند، بنابراین در اینجا این دو واژه را می‌توان به جای هم به کار برد.

رحیم حشمانی، دانشجوی دکتری فیزیک در دانشگاه ویسکانسین-مدیسون می‌گوید: «وقتی این ابرهای الکترونی شروع به نزدیک‌شدن به هم می‌کنند، هم‌پوشانی پیدا می‌کنند، یعنی دو الکترون ممکن است فضای فیزیکی مشترکی داشته باشند. طبق اصل طرد پائولی، این امر امکان‌پذیر نیست.»

هر دو مفهوم یعنی اصل طرد پائولی و دافعه الکترومغناطیسی، مانع حضور همزمان اتم‌ها در یک فضا می‌شوند. بدون این قوانین، شکل اجسام جامد حفظ نمی‌شد. در مایعات و گازها، اتم‌ها آزادی بیشتری برای حرکت دارند، اما همان قوانین همچنان برقرارند؛ آن‌ها فقط جلوی هم‌پوشانی اتم‌ها را می‌گیرند، نه حرکتشان را.

گرچه، حتی اگر عبور اجسام از یکدیگر تقریباً غیرممکن باشد، مکانیک کوانتومی همیشه پاسخ جالبی دارد: از نظر تئوری، شانس بسیار کوچکی وجود دارد که چنین چیزی اتفاق بیفتد. ذراتی مثل الکترون‌ها مثل توپ‌های کوچک جامد رفتار نمی‌کنند بلکه آن‌ها نیز مانند موج عمل می‌کنند و این امواج گاهی می‌توانند از موانع فیزیکی عبور کنند.

فرض کنید موجی که یک ذره را نشان می‌دهد (نمایش احتمال مکان ذره به شکل یک موج است)، به دیواری برخورد کند که انرژی کافی برای عبور از آن را ندارد. در مکانیک کلاسیک، این موج فقط برمی‌گردد. اما در مکانیک کوانتومی، موج به آرامی ضعیف می‌شود و اگر دیوار به اندازه کافی نازک باشد، کمی از آن می‌تواند از دیوار عبور کند. ازآنجایی که موج احتمال حضور ذره را نشان می‌دهد، شانس خیلی کوچکی وجود دارد که ذره واقعاً در آن طرف دیوار ظاهر شود. به این پدیده تونل‌زنی کوانتومی می‌گویند.

با‌این‌حال، احتمال اینکه یک انسان کامل بتواند از دیوار عبور کند چیزی در حدود «یک در ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۳۰» است. حشمانی می‌گوید: «اگر این عدد را در ماشین‌حساب بزنید، عملاً نتیجه صفر می‌شود. هیچ ماشین‌حسابی در دنیا نمی‌تواند چیزی غیر از صفر نشان دهد. این احتمال واقعاً به طرز باورنکردنی کوچکی است.» رولستون هم تأیید می‌کند: «این احتمال تقریباً نزدیک به صفر است، اما صفر مطلق نیست. آن‌قدر کوچک است که مطمئنم حتی در طول عمر کل جهان هم رخ نخواهد داد.»

🔹"آخرین خبر" در روبیکا
🔹"آخرین خبر" در ایتا
🔹"آخرین خبر" در بله