Capacitatea de a trece prin obiecte solide, un element de bază al ficțiunii științifice și al fanteziei, de la Vision din „Avengers” la vrăjitorii din universul Harry Potter, intră în conflict direct cu experiența noastră cotidiană. O coliziune cu un perete nu duce la o traversare fantomatică, ci la o realitate dureroasă. Acest lucru ridică o întrebare profundă, înrădăcinată în însăși natura materiei: dacă atomii care ne constituie atât pe noi, cât și peretele sunt compuși aproape în întregime din spațiu gol, de ce obiectele solide par… solide?
Explicația se bazează pe două principii fundamentale ale fizicii. Structura unui atom este înșelătoare. Un nucleu minuscul, de aproximativ 100.000 de ori mai mic decât atomul însuși, se află în centru, în timp ce electronii orbitează la o distanță vastă. Imaginea clasică a electronilor ca planete minuscule este însă una depășită.
În mecanica cuantică, poziția unui electron nu este un punct fix, ci un nor de probabilitate. „Acesta se numește «nor de probabilitate»”, explică Raheem Hashmani, doctorand în fizică la Universitatea din Wisconsin-Madison. Acest nor reprezintă regiunea unde electronul are cea mai mare probabilitate de a fi găsit și, deoarece electronii au sarcină negativă, norul conferă întregii periferii a atomului o sarcină negativă.
De ce nu putem trece prin pereți?
„Dacă încerc să trec prin perete, atomii din corpul meu vor vedea atomii din perete și se vor respinge reciproc”, afirmă Steven Rolston, fizician la Universitatea din Maryland. Această forță este cunoscută sub numele de repulsie electromagnetică, fiind analogă barierei invizibile resimțite atunci când polii identici a doi magneți sunt apropiați. Aceasta este forța principală care împiedică atomii să se suprapună și care face ca materia solidă să își păstreze forma și să fie percepută ca fiind solidă.
Dar ce s-ar întâmpla dacă o forță imensă ar putea depăși această repulsie și ar apropia atomii și mai mult? În acest moment, intră în joc o lege mai fundamentală a fizicii cuantice: principiul de excluziune al lui Pauli. Acesta stipulează că două sau mai multe fermioni identici — o clasă de particule care include și electronii — nu pot ocupa simultan aceeași stare cuantică.
„Când acești nori de electroni încep să se apropie unii de alții, se suprapun, ceea ce înseamnă că doi electroni ar putea împărți același spațiu fizic. Conform principiului de excluziune al lui Pauli, acest lucru nu este permis.”, explică Hashmani. Prin urmare, chiar dacă repulsia electromagnetică ar fi cumva depășită, electronilor din atomii mâinii tale și ai peretelui le-ar fi interzis să coexiste în același spațiu. Împreună, repulsia electromagnetică și principiul de excluziune al lui Pauli asigură impenetrabilitatea materiei.
Cu toate acestea, lumea stranie a mecanicii cuantice oferă o portiță, deși una infinitezimală. Particulele precum electronii se comportă și ca unde. Atunci când funcția de undă a unei particule întâlnește o barieră pe care, clasic, nu are suficientă energie să o depășească, ea nu se oprește brusc. „Unda nu se oprește brusc”, spune Hashmani.
În schimb, ea începe să se dezintegreze exponențial pe măsură ce pătrunde în barieră. Dacă bariera este suficient de subțire, o mică parte a undei ar putea persista pe partea cealaltă. Deoarece unda reprezintă probabilitatea localizării particulei, există o șansă, diferită de zero, ca particula să apară de cealaltă parte — un fenomen cunoscut sub numele de tunelare cuantică.
Ar putea o persoană întreagă, o colecție de trilioane de atomi, să tuneleze printr-un perete? Teoretic, da, dar probabilitatea este atât de infimă încât este practic nulă. „Ar fi de aproximativ 1 la 10 la puterea 10 la puterea 30. Niciun calculator de pe planetă nu îți va da un rezultat diferit de zero. Atât de infinitezimal de mică este probabilitatea.”, estimează Hashmani.
Rolston este de acord: „Este cât se poate de aproape de zero, dar nu este zero. Este atât de infinitezimal de mică încât sunt sigur că nu s-ar întâmpla în vârsta universului.” În lumea noastră macroscopică, legile fizicii asigură că pereții rămân, în mod fiabil și uneori dureros, solizi.
