في الأفلام، يمر الأشخاص عبر الجدران مثل الأشباح – فكر في رؤية من فيلم “Avengers” أو هاري بوتر يمر عبر المنصة 9¾. يبدو سهلا. لكن في العالم الحقيقي، تجربة هذه الخدعة ستتركك مصابًا بكدمات في أنفك والكثير من الأسئلة.

سؤال واحد، على سبيل المثال، قد يكون لماذا لا نستطيع المشي عبر الجدران؟ الذراتوالتي هي اللبنات الأساسية للمادة، وهي في الغالب مساحة فارغة. النواة الصغيرة — التي على وشك أصغر بـ 100.000 مرة من الذرة بأكملها — يقع في المركز، بينما تدور الإلكترونات بعيدًا. فلماذا تبدو الأجسام الصلبة هكذا… صلبة؟

هناك مفهومان فيزيائيان يجعلان المشي عبر المواد الصلبة أمرًا مستحيلًا: التنافر الكهروستاتيكي ومبدأ استبعاد باولي، كما قال الخبراء لموقع Live Science.

تقليديًا، تحتوي الذرة على نواة، تتكون من البروتونات والنيوترونات، والإلكترونات التي تتحرك حولها. تتجاذب الشحنة الموجبة للبروتونات والشحنة السالبة للإلكترونات تجاه بعضها البعض، مما يحافظ على تماسك الذرة معًا.

ولكن في ميكانيكا الكم، لا يتحرك الإلكترون في دائرة مرتبة. بدلا من ذلك، فإنه يشكل نوعا من سحاب – منطقة غامضة حيث قد يكون. وهذا ما يسمى “سحابة الاحتمالية”، رحيم الهاشميوقال طالب دكتوراه في الفيزياء بجامعة ويسكونسن ماديسون لموقع Live Science. هذه السحابة لا تتحرك إنه موجود هناك، ليُظهر الأماكن التي من المرجح أن يوجد فيها الإلكترون.

السحابة تجعل أطراف الذرة مشحونة سلباً. “إذا حاولت السير عبر الجدار، فإن الذرات الموجودة في جسدي ستشاهد (الذرات) الموجودة في الجدار، وسوف تتنافر” ستيفن رولستونوقال عالم الفيزياء في جامعة ميريلاند لموقع Live Science:

متعلق ب: كم عدد الذرات الموجودة في الكون المرئي؟

وهذا ما يسمى التنافر الكهرومغناطيسي – كما هو الحال عندما تحاول دفع نفس قطبي مغناطيسين معًا. عند المشي عبر الجدار، تتفاعل الإلكترونات من خلال الموجات الكهرومغناطيسية. هذه الموجات هي جزء من القوى التي تمنع الذرات من التداخل وسبب بقاء المادة الصلبة وملمسها الصلب.

ولكن ماذا لو تم دفع الذرات إلى مسافة أقرب من بعضها البعض؟

وهنا يأتي دور مبدأ استبعاد باولي. فهو ينص على ذلك بالتأكيد جزيئاتتسمى الفرميونات، ولا يمكنها مشاركة نفس حالة الطاقة أو التواجد في نفس المكان في نفس الوقت. الإلكترونات هي فرميونات، لذلك في هذه الحالة، المصطلحات قابلة للتبادل.

وأوضح هاشماني: “عندما تبدأ تلك السحب من الإلكترونات في الاقتراب من بعضها البعض، فإنها تتداخل، مما يعني أن إلكترونين قد يتشاركان في نفس المساحة المادية”. “بموجب مبدأ استبعاد باولي، هذا غير مسموح به.”

كلا المفهومين – مبدأ استبعاد باولي والتنافر الكهرومغناطيسي – يمنعان الذرات من شغل نفس المساحة. وبدونها، فإن المادة الصلبة كما نعرفها لن تحافظ على شكلها. في السوائل والغازات، تتمتع الذرات بحرية أكبر في الحركة، لكن القواعد نفسها تنطبق. إنها فقط تمنع الذرات من التداخل، وليس من التحرك.

ومع ذلك، حتى لو كان من المستحيل تقريبًا أن تمر الأجسام عبر بعضها البعض، فإن ميكانيكا الكم تقدم دائمًا إجابة مثيرة للاهتمام: من الناحية الفنية، هناك فرصة ضئيلة لذلك. استطاع يحدث.

الجسيمات مثل الإلكترونات لا تتصرف مثل الكرات الصلبة الصغيرة. وبدلاً من ذلك، فإنها تتصرف أيضًا مثل الأمواج، ويمكن لهذه الموجات أحيانًا أن تمتد عبر الحواجز المادية.

لنفترض أن موجة تمثل جسيمًا تضرب جدارًا، وهو حاجز لا تملك طاقة كافية لعبوره. في الميكانيكا الكلاسيكية، سوف ترتد فقط. لكن في ميكانيكا الكم، لا تتوقف الموجة فجأة، كما يقول هاشماني. وبدلاً من ذلك، يبدأ في التحلل بشكل كبير عند دخوله الحاجز. إذا كان الجدار رقيقًا بدرجة كافية، فقد لا يزال لهذه الموجة وجود صغير على الجانب الآخر. ولأن الموجة تمثل احتمالية المكان الذي قد يكون فيه الجسيم، هناك فرصة ضئيلة لظهور الجسيم على الجانب الآخر. وهذا ما يسمى نفق الكم.

ومع ذلك، قال هاشماني إن احتمال مرور شخص كامل عبر الجدار “سيكون مثل 1 في 10 أس 10 أس 30”. “إذا وضعت ذلك في الآلة الحاسبة، فسوف تعطيك صفرًا. لن تعطيك أي آلة حاسبة على هذا الكوكب شيئًا ليس صفرًا. هذا هو مدى ضآلة الاحتمال.”

وافق رولستون. وقال: “إنه أقرب ما يمكن إلى الصفر، لكنه ليس صفراً”. “إنها صغيرة جدًا لدرجة أنني متأكد من أنها لن تحدث في عصر الكون.”

مسابقة ألبرت أينشتاين: ماذا تعرف عن حياة عالم الفيزياء النظرية الشهير؟