¿Por qué la materia no pasa a través de otra materia si los átomos son 99,999% espacio vacío?

Las cosas no son espacios vacíos. Nuestra intuición clásica falla a nivel cuántico.

La materia no atraviesa otra materia principalmente debido al principio de exclusión de Pauli y debido a la repulsión electromagnética de los electrones. Cuanto más se acerquen dos átomos, es decir, cuanto más se superpongan las áreas de expectativa distinta de cero para sus electrones, más fuerte será la repulsión debida al principio de Pauli, ya que nunca puede suceder que dos electrones posean exactamente el mismo espín y el mismo probabilidad de ser encontrado en una extensión del espacio.

La idea de que los átomos son en su mayoría "espacio vacío" es, desde un punto de vista cuántico, una tontería. El volumen de un átomo se llena con las funciones de onda de sus electrones o, desde el punto de vista de QFT, hay una excitación localizada del campo de electrones en esa región del espacio, que son muy diferentes del estado de vacío " vacío " .

El concepto de espacio vacío es en realidad bastante engañoso, ya que nuestra intuición "El espacio está vacío cuando no hay ninguna partícula en él" difiere bastante del formal "El espacio vacío es el estado de vacío no excitado de la teoría". El espacio alrededor del átomo definitivamente no está en el estado de vacío, está lleno de estados de electrones. Pero si va y mira, es probable que encuentre al menos un espacio "vacío" en el sentido de "sin partículas durante la medición". Sin embargo, no está justificado decir que hay "principalmente espacio vacío" alrededor del átomo, ya que los electrones no están tan bien localizados a menos que tenga lugar alguna interacción (como mediciones) que realmente los obligue a hacerlo. Cuando no interactúan, sus estados están "difuminados"orbital representa la probabilidad de encontrar una partícula en cualquier lugar dado.

Esta rareza es una de las razones por las que la mecánica cuántica es tan fundamentalmente diferente de la mecánica clásica: de repente, gran parte del mundo se vuelve completamente diferente de lo que estamos acostumbrados en nuestro nivel macroscópico, y especialmente nuestras intuiciones sobre el "espacio vacío" y demás. fallarnos completamente a niveles microscópicos.

Dado que se ha preguntado en los comentarios, probablemente debería decir algunas palabras más sobre el papel del principio de exclusión:

Primero, como se ha dicho, sin el principio de exclusión, toda la idea de la química se derrumba: todos los electrones caen al orbital 1s más bajo y permanecen allí, no hay electrones "externos", y el mundo tal como lo conocemos no funcionaría.

En segundo lugar, considere la situación de dos partículas clásicas igualmente cargadas: si solo invierte suficiente energía/trabajo, puede acercarlas arbitrariamente. El principio de exclusión de Pauli prohíbe esto para los átomos: es posible que pueda empujarlos un poco entre sí, pero en algún momento, cuando los estados de los electrones se vuelvan demasiado similares, simplemente no irá más allá. Cuando llegas a ese punto, tienes materia degenerada ., un estado de la materia extremadamente difícil de comprimir, y donde el principio de exclusión es la única razón de su incompresibilidad. Esto no se debe a la repulsión de Coulomb, sino que también necesitamos invertir la energía para catapultar los electrones a niveles de energía más altos, ya que la cantidad de electrones en un volumen de espacio aumenta bajo compresión, mientras que la cantidad de niveles de energía disponibles no lo hace. . (Si lee el artículo, encontrará que los electrones en algún momento preferirán combinarse con los protonesy formar neutrones, que luego exhiben el mismo tipo de comportamiento. Luego, nuevamente, tienes algo casi incompresible, hasta que la presión es lo suficientemente alta como para descomponer los neutrones en quarks (eso es meramente teórico). Nadie sabe qué sucede cuando aumenta la presión sobre estos quarks indefinidamente, pero probablemente no podamos saberlo de todos modos, ya que tarde o temprano se formará un agujero negro)

Tercero, el tipo de fuerza que necesitas para crear tal materia degenerada es extraordinariamente alta . Incluso el hidrógeno metálico , probablemente el tipo más simple de este tipo de materia, no se ha producido de forma fiable en los experimentos. Sin embargo, como Mark A ha señalado en los comentarios (y como también se menciona muy brevemente en el artículo de Wikipedia), un muy buen modelo para los electrones libres en un metal es el de un gas degenerado, por lo que uno podría tomar metal como un ejemplo a temperatura ambiente de la importancia del principio de Pauli.

Entonces, en conclusión, uno podría decir que a los niveles de nuestra experiencia cotidiana, probablemente sería suficiente saber sobre la repulsión de Coulomb de los electrones (si no miras los metales demasiado de cerca). Pero sin la mecánica cuántica, aún se preguntaría por qué estos electrones simplemente no se acercan a sus núcleos, es decir, reducen su radio orbital/caen a un estado de menor energía y, por lo tanto, reducen el radio efectivo del átomo. Por lo tanto, la repulsión de Coulomb ya se queda corta en esta escala para explicar por qué la materia parece "sólida" en absoluto; solo el principio de exclusión puede explicar por qué los electrones se comportan de la forma en que lo hacen.

Si fuera posible que un objeto pasara a través de otro objeto, sería posible que una parte de un objeto pasara a través de una parte diferente del mismo objeto. Por lo tanto, la pregunta que se hace aquí es equivalente a la pregunta de por qué la materia es estable. Vea esta pregunta en mathoverflow . Esa pregunta era más sobre la estabilidad de los átomos individuales, pero en mi respuesta allí, hice referencia a un artículo de Lieb. La sección II analiza la estabilidad de la materia a granel. El argumento depende tanto de las propiedades de la interacción electromagnética como del principio de exclusión de Pauli. Por lo tanto, cualquiera que le diga que la estabilidad de la materia a granel se debe puramente a uno u otro de estos factores está equivocado.

Lo mismo vale para la fuerza normal. La gente intentará argumentar que solo se debe a interacciones electromagnéticas o solo al principio de exclusión. Eso está mal por las mismas razones.

Aunque el tratamiento de Lieb es complicado, existe un argumento bastante sencillo de que la mecánica cuántica es necesaria para la estabilidad de la materia. Hay un teorema llamado teorema de Earnshaw que dice que un sistema clásico de partículas cargadas que interactúan no puede tener un equilibrio estático estable. No es un resultado difícil ni profundo; es solo una aplicación de la ley de Gauss. Dejar que el equilibrio sea dinámico en lugar de estático no ayuda, ya que entonces las cargas se irradiarían.

En respuesta a la pregunta principal, la materia, de hecho, "pasa" a través de otra materia . Desde la escala macro (estrellas, galaxias), hasta la escala micro (átomos), sucede todo el tiempo. El movimiento "libre" de la materia comienza a verse impedido, a medida que los átomos comienzan a formar látices (sólidos, cristales). Pero incluso a esta escala, como demostró Rutherford, la materia (partículas alfa) pasa a la materia (película delgada de oro). Es solo en la escala en la que uno está tratando de "pasar" átomos a una distancia igual o menor que la órbita externa de electrones (orbital), que se encuentra con fuerzas repulsivas de electrones y el principio de exclusión de Pauli, que evita que la materia "pase" la materia. .

Las interacciones electrostáticas es por qué. ¿Piensas en un espejo y tu mano? La razón por la que una mano no pasará es porque tu mano contiene miles de millones de pequeños imanes que repelen la superficie del espejo, así como cuando te sientas en una silla no caes al centro de la Tierra.

Además, no existe el espacio vacío. Sé que has escuchado esto, pero la mecánica cuántica descartó este sistema de creencias erróneas hace un tiempo. El fenómeno se llama campos de energía del estado fundamental, que se componen de partículas virtuales fuera de la capa. Por deducción, ni siquiera existen vacíos newtonianos perfectos.

Esa es una explicación macroscópica, las partículas en escalas mucho más pequeñas pueden salir del cuerpo y atravesar la materia, pero creo que su pregunta apuntaba a lo primero.