Несмотря на то, что атомы, фундаментальные строительные блоки материи, в основном состоят из пустого пространства, твердые объекты, такие как стены, остаются непроницаемыми для нас благодаря фундаментальным принципам физики. Главными из них являются электромагнитное отталкивание между электронными оболочками и принцип запрета Паули.
Атомы состоят из плотного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Когда два атома сближаются, их электронные оболочки, представляющие собой области вероятности нахождения электронов, отталкиваются друг от друга из-за электростатических сил. Это происходит потому, что электроны имеют одинаковый отрицательный заряд, а одноименные заряды отталкиваются. Это отталкивание препятствует значительному перекрытию электронных оболочек, фактически создавая барьер. Этот эффект можно сравнить с попыткой сблизить одинаковые полюса двух магнитов: их магнитные поля отталкивают их друг от друга.
Принцип запрета Паули, являющийся основополагающим в квантовой механике, дополнительно усиливает эту непроницаемость. Он гласит, что два идентичных фермиона (например, электроны) не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние в пределах одной системы. Проще говоря, это означает, что электроны в разных атомах не могут находиться в одном и том же месте одновременно. Хотя квантовое туннелирование допускает ничтожно малую вероятность прохождения частиц через барьеры, шанс того, что человек, состоящий из огромного количества атомов, сможет пройти сквозь стену, является астрономически малым, что делает это практически невозможным.
Исторически, представление об атомах как о неделимых частицах восходит к древнегреческим философам, таким как Демокрит. Однако современные научные открытия, включая работы Дж. Дж. Томсона, который открыл электрон, и Эрнеста Резерфорда, обнаружившего ядро атома, показали, что атомы имеют сложную структуру. Эти открытия заложили основу для понимания того, как взаимодействие между частицами на атомном уровне определяет макроскопические свойства материи, включая ее кажущуюся непроницаемость.
Таким образом, ощущение твердости и непроницаемости объектов, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, является результатом сложного взаимодействия сил на субатомном уровне. Электромагнитное отталкивание и принцип запрета Паули работают вместе, чтобы предотвратить слияние атомов, обеспечивая структурную целостность и стабильность материи, которую мы воспринимаем как твердость.