چرا نمی‌توانیم از دیوار عبور کنیم؟

به گزارش  فرادید، اگر بیشتر حجم اتم‌ها را فضای خالی شکل می‌دهد، پس چرا ما نمی‌توانیم از دیوار عبور کنیم؟ پاسخ این پرسش در دو اصل بنیادی فیزیک نهفته است: دفع الکترواستاتیکی و اصل طرد پائولی.

در فیزیک کلاسیک، اتم شامل هسته‌ای از پروتون‌ها و نوترون‌ها و الکترون‌هایی است که به دور آن می‌چرخند. بار مثبت پروتون‌ها و بار منفی الکترون‌ها موجب می‌شود اتم در کنار هم پایدار بماند.

اما در مکانیک کوانتومی، الکترون‌ها در مدارهای مشخص و دایره‌ای حرکت نمی‌کنند. آن‌ها در قالب یک «ابر احتمالی» دیده می‌شوند: ناحیه‌ای مه‌آلود که نشان می‌دهد احتمال حضور الکترون در کجا بیشتر است. این ابر باعث می‌شود مرزهای بیرونی اتم بار منفی داشته باشد.

به گفته‌ی استیون رولستون، فیزیک‌دان دانشگاه مریلند: «اگر بخواهم از دیوار عبور کنم، اتم‌های بدنم اتم‌های دیوار را حس می‌کنند و یکدیگر را دفع می‌کنند.» این پدیده همان دفع الکترومغناطیسی است؛ درست مانند زمانی که قطب‌های مشابه دو آهنربا را به هم نزدیک کنیم و آن‌ها همدیگر را پس بزنند. همین نیرو موجب می‌شود اتم‌ها روی هم نیفتند و ماده‌ی جامد شکل و سختی خود را حفظ کند.

اصل طرد پائولی

حال اگر اتم‌ها بیش از این به هم نزدیک شوند چه؟ در اینجا اصل طرد پائولی وارد عمل می‌شود. این اصل می‌گوید ذراتی به نام فرمیون‌ها (مانند الکترون‌ها) نمی‌توانند هم‌زمان در یک حالت انرژی یا یک مکان قرار بگیرند.

به گفته‌ی رحیم حشمانی، پژوهشگر دکتری فیزیک در دانشگاه ویسکانسین: «وقتی ابرهای الکترونی دو اتم روی هم می‌افتند، دو الکترون ممکن است در یک فضای مشترک قرار بگیرند، اما طبق اصل پائولی این امر غیرممکن است».

بنابراین ترکیب دفع الکترومغناطیسی و اصل طرد پائولی باعث می‌شود اتم‌ها نتوانند همدیگر را اشغال کنند. بدون این دو قانون، ماده‌ی جامد اصلاً انسجام نداشت. در مایعات و گازها اتم‌ها آزادی بیشتری دارند، اما باز هم همین قوانین مانع از همپوشانی کامل آن‌ها می‌شوند.

امکان کوانتومی تقریباً صفر

با وجود این محدودیت‌ها، مکانیک کوانتومی همیشه احتمال کوچکی باقی می‌گذارد. ذرات مانند توپ‌های کوچک نیستند، بلکه رفتار موجی هم دارند. وقتی موج مربوط به یک ذره به مانعی مانند دیوار برخورد می‌کند، به‌جای اینکه کاملاً متوقف شود، به‌تدریج درون مانع کاهش می‌یابد. اگر مانع بسیار نازک باشد، بخشی از موج می‌تواند در آن سوی دیوار ظاهر شود. این پدیده را تونل‌زنی کوانتومی می‌نامند.

با این حال، احتمال اینکه یک انسان کامل از این طریق از دیوار عبور کند عملاً صفر است. حشمانی می‌گوید: «این احتمال چیزی در حدود ۱ در ۱۰ به توان ۱۰ به توان ۳۰ است. هر محاسبه‌گری آن را معادل صفر نشان می‌دهد.» رولستون نیز می‌افزاید: «این احتمال آن‌قدر ناچیز است که حتی در طول عمر کل جهان هم رخ نخواهد داد».

بنابراین، اگرچه اتم‌ها بیشترشان فضای خالی هستند، نیروهای بنیادین فیزیک مانند دفع الکترومغناطیسی و اصل طرد پائولی، مانع عبور ما از دیوار می‌شوند. ماده‌ی جامد استحکام خود را مدیون همین قوانین است. و هرچند مکانیک کوانتومی احتمال بسیار بسیار ناچیزی برای چنین عبوری قائل است، این احتمال چنان کوچک است که در عمل می‌توان گفت هرگز اتفاق نخواهد افتاد.