Почему материя не проходит сквозь другую материю, если атомы на 99,999% состоят из пустого пространства?

Вещи не пустое место. Наша классическая интуиция терпит неудачу на квантовом уровне.

Материя не проходит сквозь другую материю в основном благодаря принципу запрета Паули и благодаря электромагнитному отталкиванию электронов. Чем ближе вы приближаете два атома, т. е. чем больше перекрываются области ненулевого ожидания для их электронов, тем сильнее будет отталкивание, обусловленное принципом Паули, так как никогда не может случиться, чтобы два электрона обладали точно таким же спином и одинаковым вероятность быть найденным в пределах пространства.

Идея о том, что атомы в основном представляют собой «пустое пространство», с квантовой точки зрения является абсурдом. Объем атома заполнен волновыми функциями его электронов, или, с точки зрения КТП, в этой области пространства происходит локализованное возбуждение электронного поля, которые сильно отличаются от «пустого» состояния вакуума .

Концепция пустого пространства на самом деле довольно хитрая, поскольку наша интуиция «Пространство пусто, когда в нем нет частицы» довольно сильно отличается от формального «Пустое пространство — это невозбужденное вакуумное состояние теории». Пространство вокруг атома точно не находится в вакуумном состоянии, оно заполнено электронными состояниями. Но если вы пойдете и посмотрите, то, скорее всего, вы найдете хоть какое-то «пустое» пространство в смысле «отсутствия частиц при измерении». Тем не менее, вы не имеете права говорить, что вокруг атома есть «в основном пустое пространство», поскольку электроны не так четко локализованы, если только не происходит какое-то взаимодействие (например, измерения), которое фактически вынуждает их к этому. Когда они не взаимодействуют, их состояния «размазаны».орбиталь представляет вероятность нахождения частицы в любом заданном месте.

Эта странность является одной из причин, по которой квантовая механика так коренным образом отличается от классической механики: внезапно многое в мире становится совершенно другим, чем то, к чему мы привыкли на нашем макроскопическом уровне, и особенно наши интуитивные представления о «пустом пространстве» и тому подобном. полностью подводят нас на микроскопическом уровне.

Поскольку в комментариях меня спросили, я, вероятно, должен сказать еще несколько слов о роли принципа исключения:

Во-первых, как уже было сказано, без принципа исключения рушится вся идея химии: все электроны падают на низшую 1s-орбиталь и остаются там, «внешних» электронов нет, и мир, каким мы его знаем, не будет работать.

Во-вторых, рассмотрим ситуацию с двумя классическими частицами с одинаковым зарядом: если вы вкладываете достаточно энергии/работы, вы можете приблизить их сколь угодно близко. Принцип запрета Паули запрещает это для атомов — вы можете немного втолкнуть их друг в друга, но в какой-то момент, когда состояния электронов станут слишком похожими, дальше дело не пойдет. Когда вы достигаете этой точки, у вас есть вырожденная материя., состояние вещества, которое чрезвычайно трудно сжать, и где принцип исключения является единственной причиной его несжимаемости. Это происходит не из-за кулоновского отталкивания, а из-за того, что нам также необходимо вкладывать энергию, чтобы катапультировать электроны на более высокие энергетические уровни, поскольку количество электронов в объеме пространства увеличивается при сжатии, а количество доступных энергетических уровней не уменьшается. . (Если вы прочитаете статью, то обнаружите, что электроны в какой-то момент действительно предпочтут объединиться с протонами.и образуют нейтроны, которые затем демонстрируют такое же поведение. Затем, опять же, у вас есть что-то почти несжимаемое, пока давление не станет достаточно высоким, чтобы разбить нейтроны на кварки (это чисто теоретически). Никто не знает, что происходит, когда вы увеличиваете давление на эти кварки до бесконечности, но мы, вероятно, все равно не можем этого знать, так как черная дыра рано или поздно сформируется)

В-третьих, сила, необходимая для создания такой вырожденной материи, необычайно высока . Даже металлический водород , вероятно, самый простой вид такой материи, не был надежно получен в экспериментах. Однако, как отметил в комментариях Марк А. (и как это очень кратко упоминается в статье в Википедии), очень хорошей моделью свободных электронов в металле является модель вырожденного газа, поэтому можно взять металл как пример комнатной температуры важности принципа Паули.

Итак, в заключение можно сказать, что на уровнях нашего повседневного опыта, вероятно, было бы достаточно знать о кулоновском отталкивании электронов (если не слишком присматриваться к металлам). Но без квантовой механики вы все равно задавались бы вопросом, почему эти электроны просто не приближаются к своим ядрам, т.е. не уменьшают свой орбитальный радиус/не переходят в более низкое энергетическое состояние и, таким образом, не уменьшают эффективный радиус атома. Следовательно, кулоновское отталкивание уже на этом масштабе не может объяснить, почему материя вообще кажется «твердой» - только принцип исключения может объяснить, почему электроны ведут себя именно так.

Если бы один объект мог пройти через другой объект, то одна часть объекта могла бы пройти через другую часть того же самого объекта. Поэтому поставленный здесь вопрос эквивалентен вопросу о том, почему материя стабильна. См. этот вопрос на mathoverflow . Этот вопрос больше касался стабильности отдельных атомов, но в своем ответе я дал ссылку на статью Либа. В разделе II обсуждается устойчивость объемного вещества. Аргумент зависит как от свойств электромагнитного взаимодействия, так и от принципа запрета Паули. Поэтому любой, кто говорит вам, что стабильность объемной материи обусловлена ​​исключительно одним или другим из этих факторов, ошибается.

То же самое верно и для нормальной силы. Люди будут пытаться утверждать, что это происходит только из-за электромагнитных взаимодействий или только из-за принципа исключения. Это неправильно по тем же причинам.

Хотя трактовка Либа сложна, существует довольно простой аргумент, что квантовая механика необходима для стабильности материи. Существует теорема Эрншоу, в которой говорится, что классическая система взаимодействующих заряженных частиц не может иметь стабильного статического равновесия. Это не сложный или глубокий результат; это просто применение закона Гаусса. Если равновесие будет динамическим, а не статичным, это не поможет, поскольку тогда заряды будут излучаться.

В ответ на главный вопрос материя действительно «проходит» через другую материю . Начиная с макромасштаба (звезды, галактики) и заканчивая микромасштабом (атомы), это происходит постоянно. «Свободное» движение материи начинает тормозиться, так как атомы начинают образовывать решетки (твердые тела, кристаллы). Но даже в этом масштабе, как показал Резерфорд, материя (альфа-частицы) проходит мимо материи (тонкой пленки золота). Только в масштабе, когда кто-то пытается «пройти» атомы на расстоянии, равном или меньшем, чем внешняя орбита электрона (орбиталь), вы сталкиваетесь с силами отталкивания электронов и принципом запрета Паули, которые не позволяют материи «проходить» материю. .

Электростатические взаимодействия вот почему. Подумайте о зеркале и вашей руке? Причина, по которой рука не проходит, заключается в том, что в вашей руке миллиарды маленьких магнитов, которые отталкивают поверхность зеркала, точно так же, как когда вы сидите на стуле, вы не падаете к центру Земли.

Кроме того, нет такой вещи, как пустое пространство. Я знаю, вы слышали это, но квантовая механика давно исключила эту ошибочную систему убеждений. Это явление называется энергетическими полями основного состояния, которые состоят из виртуальных частиц вне оболочки. Согласно дедукции, идеальных ньютоновских вакуумов вообще не существует.

Это макроскопическое объяснение, частицы в гораздо меньших масштабах могут покидать тело и проходить через материю, но я думаю, что ваш вопрос касался первого.