Фізика каже «ні»: ось чому ти ніколи не пройдеш крізь стіну

У дитин­стві всі ми дума­ли: «Як круто було б про­хо­ди­ти крізь стіни, як при­вид!» Але потім з’явилась школа, фізи­ка, і мрії трі­сну­ли. Проте досі зали­ша­є­ться пита­н­ня, яке на пер­ший погляд зда­є­ться логі­чним — якщо атоми майже пов­ні­стю скла­да­ю­ться з пусто­ти, то чому ми не про­ва­лю­є­мось крізь під­ло­гу, не про­хо­ди­мо крізь двері і не зни­ка­є­мо в дивані?

Готовий дізна­ти­ся, чому реаль­ність не дозво­ляє грати за пра­ви­ла­ми фан­та­сти­ки? Полетіли в мікросвіт.

Атоми порожні, але не дурні

Отже, атом — це така штука, де все ціка­ве зосе­ре­дже­но в кри­хі­тно­му ядрі, а решта — поро­жне­ча. Електрони, які обер­та­ю­ться (ну, майже) нав­ко­ло ядра, займа­ють зону, що біль­ше нага­дує хмару, ніж чіткий мар­шрут. Це і є «хмара ймо­вір­но­сті» — місце, де еле­ктрон може бути. Але не факт, що він там є.

Та най­го­лов­ні­ше — ця хмара має заряд. І от коли ти нама­га­є­шся вти­сну­ти своє тіло в стіну, хмара з еле­ктро­нів твого тіла зіштов­ху­є­ться з хма­ра­ми еле­ктро­нів у стіні. І що? Вони, як два одна­ко­вих полю­си магні­ту, відштовхуються.

Тобто букваль­но: стіна каже твоїм ато­мам «не лізь сюди». І каже це впев­не­но. Як охо­ро­нець нічно­го клубу.

Принцип Паулі: особистий простір навіть для електронів

А тепер вми­ка­є­ться сер­йо­зна фізи­ка — прин­цип забо­ро­ни Паулі. Якщо коро­тко: два еле­ктро­ни не можуть пере­бу­ва­ти в одно­му стані одно­ча­сно в одно­му місці. Ніяких тісних обнімашок.

Уяви собі клуб, де кожно­му еле­ктро­ну виді­ле­но вла­сний стіл. І хоч би як він хотів — сісти за чужий не вийде. Простіше кажу­чи, еле­ктрон не поді­лить місце з іншим навіть під загро­зою вечір­ки сто­лі­т­тя. От чому, коли твої еле­ктро­ни набли­жа­ю­ться до еле­ктро­нів стіни — почи­на­є­ться від­тор­гне­н­ня. І саме тому ти не про­хо­диш крізь неї. Навіть якщо дуже хочеш.

Квантове тунелювання: а якщо все ж таки?

Добре, а як же бути з кван­то­вою меха­ні­кою, де частин­ки — це не тіль­ки речо­ви­на, а ще й хвилі? Так, є такий трюк — кван­то­ве туне­лю­ва­н­ня. Хвиля не зупи­ня­є­ться, коли сти­ка­є­ться з бар’єром, вона про­сто слаб­шає. І якщо бар’єр дуже тон­кий, частин­ка може «про­со­чи­ти­ся» крізь нього. Це не фан­та­сти­ка — це реаль­не явище.

Саме зав­дя­ки цьому ефе­кту пра­цю­ють ядер­ні реа­кції в зір­ках, напри­клад. Але… є нюанс. Твій мозок, леге­ні, кіс­тки — це не окре­ма частин­ка. А мільяр­ди триль­йо­нів части­нок. І шанс, що всі вони одно­ча­сно про­ту­не­лю­ють крізь стіну — при­бли­зно, як шанс зна­йти єди­но­ро­га в метро Києва о тре­тій ночі.

Якби все працювало інакше…

Якби не було еле­ктро­ста­ти­чно­го від­штов­ху­ва­н­ня і прин­ци­пу Паулі, світ був би трохи… рід­шим. Буквально. Ми про­ва­лю­ва­лись би крізь стіль­ці, теле­фо­ни про­ска­ку­ва­ли б крізь руки, а ти ніко­ли не був би впев­не­ний, стоїш ти на під­ло­зі, чи вже десь у підвалі.

Ось що утри­мує нашу реаль­ність у купі:

1. Електростатичне від­штов­ху­ва­н­ня — не дає еле­ктро­нам набли­жа­ти­ся занад­то близько.
2. Принцип Паулі — не дозво­ляє їм займа­ти одне місце одночасно.

Без цих зако­нів навіть диха­ти було б небез­пе­чно — леге­ні могли б про­сто про­ва­ли­ти­ся все­ре­ди­ну гру­дної клі­ти­ни. Симпатична пер­спе­кти­ва, правда?

Так, атоми на 99,9999% поро­жні. Так, еле­ктро­ни — це не куль­ки, а хмари ймо­вір­но­сті. Але ми не може­мо про­со­чи­ти­ся крізь стіну, як Джек-Привид у філь­мі. Закони фізи­ки не дадуть. Вони, як дуже при­скі­пли­вий нагля­дач: якщо щось не за пра­ви­ла­ми — до поба­че­н­ня. І саме зав­дя­ки цим зако­нам ми вза­га­лі може­мо сиді­ти, сто­я­ти, диха­ти і не роз­си­па­тись на купу квар­ків. Усе це — не магія. Це про­сто фізи­ка. З дуже суво­ри­ми правилами.