@ 2018.05.11 , 17:00

我们为什么不能穿墙而过

我们为什么不能穿墙而过

你可能在哪里听说过,宇宙中组成你我身体和其他所有正常物质的原子有大量的空余空间。这确实是真的——但我们似乎挺坚实致密的。

原子就像是一个人占了一排座位,你不能说我们挤一挤,在空余座位上,安排几个别的原子。我们做不到。

你可能希望出现这种情况,但是很抱歉,穿墙而过的Shadowcat将不得不留在X-Men漫画中。YouTube频道上的科普视频专栏Life Noggin的最新一期,解释了其中的原因。

这一切都与绕原子核运行的电子有关。通常,大众理解的原子的物理图像就是电子围绕在原子核的周围嗡嗡作响,所有一切都是那么地整洁有序。但事实并非如此——电子在原子核的周围变成云雾状的东西,填充了整个空间。就像是,水变成了水蒸气。当然,电子并不是真的气化了,它只是以概率的形式,充满了这个空间。

为了穿过另一个原子的领地,第一个原子的电子云雾将不得不与第二个原子的电子云雾同处在相同的空间内。简而言之,这是不可能的。

正如奥地利物理学家沃尔夫冈·保利在1925年首次指出的那样,原子中的两个电子不能同时处于相同的状态。也就是说,你不能让两个电子占用同一个空间做同样的工作。他们有点像Highlander——只能存在一个。(电影和游戏系列,其中的角色可以穿越时空,他们杀死彼此,直到剩下最后的王者)

这被称为泡利不相容原理,适用于所有的费米子。这也意味着原子非常成功地阻止了其他原子侵入其私人领域的可能意图。

这就是使固态物体坚实,并阻止它们彼此穿过的原因。但这是否也意味着我们实际上无法碰触任何东西,或者说诸如子弹一类的东西,按照不相容原理根本无法碰到我们的身体?好吧,思路不要那么跳。

这在量子力学中有时被解释为两种费米子之间的排斥力,而面向公众的科普解释是,这样可以阻止原子与其他原子接触。但是用“力”这个词来描述这些相互作用的方式,并不能据此认为,我们可以按照这个词在通常生活中的使用方式来做出理解。

根据2003年在《美国物理学杂志》上发表的一篇论文(arXiv上全文),“力”是一种可能被初学者误解的贫瘠比喻。 (虽然我们还没有更好的。)

根据诺丁汉大学物理学教授菲利普·莫里亚蒂的说法,“连接”确实存在于原子层面上——这正是有吸引力的范德瓦尔斯力平衡泡利不相容原理带来的排斥力的关键。但这不一定是“接触”。

“我们无法仅使用一般的概念来完美的诠释量子力学,否则的话,既然它可以被现有的词语所充分表述,我们就没要必要专门为它成立一门学科不是。它本来就是超越了日常经验的知识,所以你必须提出新颖的定义,”他说,“以往辅助理解的比喻就崩坏了。”

所以你也没有后危机时代post-Crisis超人那样的防御力场,Soz。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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