Dlaczego nie przenikamy przez ściany?

Nie przechodzimy przez ściany. Przedmioty nie przenikają przez siebie. Nie mieszamy się z otaczającym nas światem. Podczas podawania ręki znajomemu nie zlewamy się z nią. Kawa stojąca na stole nie przelewa się przez stół a przy okazji przez całą resztę świata. Ale dlaczego?

Orbitale molekularne atomu wodoru. Źródło.

Materia zbudowana jest z atomów, małych tworów o których można powiedzieć, w wielkim uproszczeniu- "kuleczki". Atom 'zbudowany' jest głównie z próżni- czyli z nicości. 99% masy atomu skupiona jest w małym, bardzo gęstym jądrze otoczonym wielką objętością nicości i dopiero gdzieś tam w oddali od jądra krążą małe kuleczki, które są falami o znikomej masie- elektrony. Oczywiście przedstawiam to w wielkim uproszczeniu, ale mniej więcej tak to wygląda.
Jeśli atom to w większości próżnia dlaczego nie jest w stanie przenikać przez inne atomy?

'W danym stanie kwantowym może znajdować się jeden fermion – żadne dwa fermiony nie mogą w jednej chwili występować w dokładnie tym samym stanie kwantowym.' (Odnośnik). Tekst przed nawiasem o odnośniku wydaje się dość skomplikowany, ale dla chemików, czy fizyków jest to  credo, coś jak naukowy symbol wiary znany pod mniej poetycką nazwą- zakaz Pauliego. Wolfgang Pauli -szwajcarski fizyk, sprawca wielu odkryć i jeden z twórców mechaniki kwantowej, sformułował zasadę dotyczącą się elektronów,  protonów i neutronów, czyli cząstek materii. W uproszczeniu zakaz ten 'zakazuje' cząstkom przebywania w tym samym miejscu, o tym samym czasie w tym samym stanie kwantowym. Inaczej mówiąc- w pobliżu siebie nie mogą przebywać 2 cząsteczki, które opisują te same liczby kwantowe, czyli muszą mieć różne od siebie funkcje falowe.

Zakaz Pauliego jest bardzo przełomowym sposobem myślenia. Tłumaczy on, dlaczego atomy mimo pustki w ich wnętrzu nie można zgniatać jak gąbek, oraz, że atomy nie mogą przenikać przez siebie- czyli występować w tym samym miejscu. Nadaje to materii sztywność  Samo odkrycie zakazu związane było z elektronami, krążącymi dookoła jądra atomowego. Pauli próbował wyjaśnić ich zachowanie- dzięki czemu rozpracował ich zasady postępowania. Elektrony w atomie, na mocy zakazu, nie mogą występować w tym samym miejscu, ale dążą do zachowania jak najniższej energii. Na pierwszej powłoce od jądra mogą występować jedynie 2 elektrony, ponieważ wykorzystują one konfiguracje liczb kwantowych i nie przeczą one zasadzie Pauliego. Nie ma możliwości by na pierwszej powłoce pojawił się trzeci elektron- ponieważ jedna z liczb kwantowych, która opisywałaby jego zachowanie była by powtórzona, a to łamie zakaz Pauliego. Im atom ma więcej elektronów, muszą one zajmować coraz to dalsze 'siedzenia' od jądra by spełniać warunki zakazu. Zajmują one miejsca dwójkami tworząc orbitale atomowe ulokowane dookoła jądra w specyficzny sposób. Na każdym orbitalu elektrony różnią się spinem- czyli tak jakby kręcą się w przeciwnych kierunkach. Idą za tym konsekwencje w postaci tego, że elektrony znajdujące się na swoich orbitalach nie mogą przechodzić bliżej jądra co nadaje materii sztywność  Zakaz Pauliego jest tak dobrze działającą zasadą, że nie potrafią się mu oprzeć nawet nowo powstające gwiazdy neutronowe. Podczas ogromnego grawitacyjnego zgniatania atomów na skutek siły pola grawitacyjnego tworzącej się gwiazdy neutronowej, elektrony są tak mocno ściskane, że maksymalnie zbliżają się do jądra, ale dalej pozostają na swoich miejscach nie łamiąc zakazu. W momencie gdy ściskanie jest tak wielkie, że atom nie jest w stanie dalej się powstrzymywać  elektrony zamiast zajmować obok siebie dowolne miejsca, wolą spaść na jądro atomu i w połączeniu ze znajdującym się tam protonem dać neutron. Stąd nazwa gwiazd- gwiazdy neutronowe. Elektrony te (podobnie jak cała materia) tak silnie nie potrafią złamać zakazu Pauliego, że znajdują inne rozwiązanie w postaci połączenia się z protonem.

____
Ostatnio zauważyłem, że mój blog często trafia na stronę Wykop.pl . Jest to bardzo miłe, ponieważ grono czytelników powiększa się, ale zdążyłem przeczytać kilka niepochlebnych opinii na temat mojego bloga. Nie chodzi mi o to, że forma bloga, czy zasady i poglądy jakie ja wyznaje mogą się komuś nie podobac- krytyka w tym wypadku jest pomocna, ponieważ daje do myślenia co można zrobić  by bloga polepszyć  Nie rozumiem tylko kwestii, że w kilku opiniach widziałem hejty o to, że podaje nieprawdziwe informacje- wszystkie informacje, które podaje w postach są zgodne z przyjętym stanem wiedzy. Często uciekam się do uproszczeń, ponieważ nie jest możliwe by przedstawiać tutaj naturę rzeczy w dosłownym jej znaczeniu, poza tym mija się to z celem. W momencie, gdy 'nie pamiętam' o obowiązującej nauce i daje od siebie własne pomysły informuje o tym na początku posta, by czytelnik miał świadomość,  że to co pisze może być różne z tym co myślą naukowcy.
Widziałem też posty dotyczące tego, że blogi naukowe powinny odejść od polityki i religii. Moim zdaniem tak nie jest, dlatego pisze też o swoich, prywatnych poglądach w tej sprawie. Religia i polityka też w swojej naturze są naukami, o których też możemy mówić- nie zostawiajmy tego tematem tabu.  To czy komuś się religia podoba czy nie to już jest inna sprawa- a ponieważ jest to mój blog, pisze w nim moje opinie na ten temat, które wiem, że nie muszą podobać się wielu ludziom.
Widziałem też niepochlebne komentarze, że blog dotyczy się wielu spraw i nie koncentruje się na konkretnej tematyce- ja pytam po co się ograniczać  Mam ochotę pisać o wielu dziedzinach nauki i tak będę pisał. Jednym z zadań bloga jest promocja nauki, a nauka nie ogranicza się tylko do jednego. Pisze o tym co mnie interesuje i staram się tym zainteresować innych. Jeśli się uda- super, jeśli nie- trudno.