我们日常生活中接触到的墙壁、桌子等实物,尽管构成它们的原子绝大部分是空的空间,但它们却坚不可摧,这背后蕴藏着深刻的物理学原理。这并非因为原子内部的“空”可以被忽略,而是源于原子间精妙的相互作用力,特别是电磁排斥力和泡利不相容原理。
原子的结构可以被理解为中心是一个致密的原子核,周围环绕着高速运动的电子云。当两个原子的电子云相互靠近时,由于电子都带有负电荷,同种电荷间会产生强烈的排斥力。这种电磁排斥力就像两块磁铁的同极相斥一样,阻止了电子云的过度重叠,从而在宏观上表现为物质的“实体感”。这种力量是如此普遍,以至于我们感受到的“触碰”感,本质上就是这种电磁排斥力的体现,它阻止了我们身体的原子与墙壁的原子直接接触。
更为关键的是,量子力学中的泡利不相容原理为物质的不可穿透性提供了另一层保障。该原理指出,在同一个原子或分子中,两个全同的费米子(如电子)不能同时占据相同的量子态。简单来说,就是两个电子不能同时处于完全相同的空间位置和运动状态。这种量子层面的排斥,共同构成了我们感知到的物质的坚固性。
虽然量子力学也提出了“量子隧穿效应”,即粒子有极小的概率能够穿过能量壁垒,但对于由约10的28次方个粒子组成的人体而言,要同时让所有粒子以一种相干的方式穿过一堵墙的概率,其数值小到几乎为零,远远超出了任何实际发生的可能性。因此,尽管原子内部存在广阔的“空虚”,但正是这些基本物理原理,确保了我们所处的宏观世界物质的稳定与不可穿透。
这些基本原理不仅解释了物质的宏观性质,也深刻影响着我们对世界的认知。它们揭示了宇宙运行的内在秩序,以及构成我们自身的存在,都遵循着一套精密的法则。理解这些,有助于我们认识到,即使在看似“空虚”的微观层面,也蕴含着维持现实结构的关键力量,引导我们以更广阔的视角看待物质世界的运作。