اتم ها سازندگان اصلی جهان مادی هستند و می دانیم که بیشتر حجمشان را فضای خالی تشکیل می دهد. هسته ی بسیار کوچک اتم که حدود صد هزار بار کوچکتر از کل اتم است در مرکز آن قرار دارد و الکترون ها در فاصله ی زیادی پیرامون آن توزیع شده اند. با این حال ما وقتی به دیوار دست می زنیم، سختی و استحکام آن را احساس می کنیم. چرا؟

به گزارش فرادید، اگر بیشتر حجم اتم ها را فضای خالی شکل می دهد، پس چرا ما نمی توانیم 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 هسته ای از پروتون ها و نوترون ها و الکترون هایی است که به دور آن می چرخند. بار مثبت پروتون ها و بار منفی الکترون ها موجب می شود اتم در کنار هم پایدار بماند.

اما در مکانیک کوانتومی، الکترون ها در مدارهای مشخص و دایره ای حرکت نمی کنند. آن ها در قالب یک ابر احتمالی دیده می شوند: ناحیه ای مه آلود که نشان می دهد احتمال حضور الکترون در کجا بیشتر است. این ابر باعث می شود مرزهای بیرونی اتم بار منفی داشته باشد.

به گفته ی استیون رولستون، فیزیک دان دانشگاه مریلند: اگر بخواهم از دیوار عبور کنم، اتم های بدنم اتم های دیوار را حس می کنند و یکدیگر را دفع می کنند. این پدیده همان دفع الکترومغناطیسی است؛ درست مانند زمانی که قطب های مشابه دو آهنربا را به هم نزدیک کنیم و آن ها همدیگر را پس بزنند. همین نیرو موجب می شود اتم ها روی هم نیفتند و ماده ی جامد شکل و سختی خود را حفظ کند.

حال اگر اتم ها بیش از این به هم نزدیک شوند چه؟ در اینجا اصل طرد پائولی وارد عمل می شود. این اصل می گوید ذراتی به نام فرمیون ها (مانند الکترون ها) نمی توانند هم زمان در یک حالت انرژی یا یک مکان قرار بگیرند.

به گفته ی رحیم حشمانی، پژوهشگر دکتری فیزیک در دانشگاه ویسکانسین: وقتی ابرهای الکترونی دو اتم روی هم می افتند، 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 می شود اتم ها نتوانند همدیگر را اشغال کنند. بدون این دو قانون، ماده ی جامد اصلاً انسجام نداشت. در مایعات و گازها اتم ها آزادی بیشتری دارند، اما باز هم همین قوانین مانع از همپوشانی کامل آن ها می شوند.

با وجود این محدودیت ها، مکانیک کوانتومی همیشه احتمال کوچکی باقی می گذارد. ذرات مانند توپ های کوچک نیستند، بلکه رفتار موجی هم دارند. وقتی موج مربوط به یک ذره به مانعی مانند دیوار برخورد می کند، به جای اینکه کاملاً متوقف شود، به تدریج درون مانع کاهش می یابد. اگر مانع بسیار نازک باشد، بخشی از موج می تواند در آن سوی دیوار ظاهر شود. این پدیده را تونل زنی کوانتومی می نامند.

با این حال، احتمال اینکه یک انسان کامل از این طریق از دیوار عبور کند عملاً صفر است. حشمانی می گوید: این احتمال چیزی در حدود 1 در 10 به توان 10 به توان 30 است. هر محاسبه گری آن را معادل صفر نشان می دهد. رولستون نیز می افزاید: این احتمال آن قدر ناچیز است که حتی در طول عمر کل جهان هم رخ نخواهد داد .

بنابراین، اگرچه اتم ها بیشترشان فضای خالی هستند، نیروهای بنیادین فیزیک مانند دفع الکترومغناطیسی و اصل طرد پائولی، مانع عبور ما از دیوار می شوند. ماده ی 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 می توان گفت هرگز اتفاق نخواهد افتاد.