Warum geht Materie nicht durch andere Materie, wenn Atome zu 99,999 % aus leerem Raum bestehen?

Dinge sind kein leerer Raum. Unsere klassische Intuition versagt auf der Quantenebene.

Materie geht hauptsächlich aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips und aufgrund der elektromagnetischen Abstoßung der Elektronen nicht durch andere Materie . Je näher man zwei Atome bringt, dh je mehr sich die Bereiche der Nicht-Null-Erwartung für ihre Elektronen überlappen, desto stärker wird die Abstoßung aufgrund des Pauli-Prinzips, da es nie passieren kann, dass zwei Elektronen exakt den gleichen Spin und den gleichen besitzen Wahrscheinlichkeit, in einer Ausdehnung des Weltraums gefunden zu werden.

Die Vorstellung, dass Atome größtenteils „leerer Raum“ sind, ist aus Quantensicht Unsinn. Das Volumen eines Atoms wird durch die Wellenfunktionen seiner Elektronen ausgefüllt, oder aus QFT-Sicht kommt es zu einer lokalen Anregung des Elektronenfeldes in diesem Raumbereich, die sich beide stark vom "leeren" Vakuumzustand unterscheiden .

Der Begriff des leeren Raums ist eigentlich recht knifflig, da sich unsere Intuition „Raum ist leer, wenn kein Teilchen darin ist“ stark von der formalen „Leerer Raum ist der unaufgeregte Vakuumzustand der Theorie“ unterscheidet. Der Raum um das Atom herum befindet sich definitiv nicht im Vakuumzustand, er ist mit Elektronenzuständen gefüllt. Aber wenn Sie hingehen und nachsehen, werden Sie wahrscheinlich zumindest einen "leeren" Raum im Sinne von "keine Partikel während der Messung" finden. Sie sind jedoch nicht berechtigt zu sagen, dass es um das Atom herum "größtenteils leeren Raum" gibt, da die Elektronen nicht so scharf lokalisiert sind, es sei denn, es findet eine Wechselwirkung (wie Messungen) statt, die sie tatsächlich dazu zwingt. Wenn sie nicht interagieren, werden ihre Zustände "verschmiert".Orbital repräsentiert die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen an einer bestimmten Stelle zu finden.

Diese Verrücktheit ist einer der Gründe, warum sich die Quantenmechanik so grundlegend von der klassischen Mechanik unterscheidet – plötzlich wird ein Großteil der Welt ganz anders als das, was wir auf unserer makroskopischen Ebene gewohnt sind, insbesondere unsere Intuitionen über „leeren Raum“ und dergleichen versagen uns auf mikroskopischer Ebene völlig.

Da in den Kommentaren danach gefragt wurde, sollte ich wohl noch ein paar Worte zur Rolle des Ausschlussprinzips sagen:

Erstens, wie gesagt, ohne das Ausschlussprinzip bricht die ganze Idee der Chemie zusammen: Alle Elektronen fallen auf das unterste 1s-Orbital und bleiben dort, es gibt keine "äußeren" Elektronen, und die Welt, wie wir sie kennen, würde nicht funktionieren.

Betrachten Sie zweitens die Situation zweier gleich geladener klassischer Teilchen: Wenn Sie nur genügend Energie/Arbeit investieren, können Sie sie beliebig nahe bringen. Das Pauli-Ausschlussprinzip verbietet das den Atomen – man kann sie zwar ein bisschen ineinander schieben, aber irgendwann, wenn die Zustände der Elektronen zu ähnlich werden, geht es nicht mehr weiter. Wenn Sie diesen Punkt erreichen, haben Sie entartete Materie, einem extrem schwer komprimierbaren Materiezustand, dessen Inkompressibilität allein auf dem Ausschlussprinzip beruht. Dies liegt nicht an der Coulomb-Abstoßung, sondern daran, dass wir auch die Energie investieren müssen, um die Elektronen in höhere Energieniveaus zu katapultieren, da die Anzahl der Elektronen in einem Raumvolumen unter Kompression zunimmt, die Anzahl der verfügbaren Energieniveaus jedoch nicht . (Wenn Sie den Artikel lesen, werden Sie feststellen, dass sich die Elektronen irgendwann tatsächlich lieber mit den Protonen verbinden werdenund bilden Neutronen, die dann das gleiche Verhalten zeigen. Dann haben Sie wieder etwas fast Inkompressibles, bis der Druck hoch genug ist, um die Neutronen in Quarks zu zerlegen (das ist nur theoretisch). Niemand weiß, was passiert, wenn man den Druck auf diese Quarks unendlich erhöht, aber das können wir wahrscheinlich sowieso nicht wissen, da sich früher oder später ein Schwarzes Loch bilden wird)

Drittens ist die Kraft, die man braucht, um solch entartete Materie zu erschaffen, außerordentlich hoch . Selbst metallischer Wasserstoff , die wohl einfachste Art einer solchen Materie, wurde experimentell nicht zuverlässig hergestellt. Wie Mark A jedoch in den Kommentaren darauf hingewiesen hat (und wie es auch im Wikipedia-Artikel sehr kurz erwähnt wird), ist ein sehr gutes Modell für die freien Elektronen in einem Metall das eines entarteten Gases, sodass man Metall als nehmen könnte ein Raumtemperatur-Beispiel für die Bedeutung des Pauli-Prinzips.

Abschließend könnte man also sagen, dass es auf der Ebene unserer Alltagserfahrung wahrscheinlich ausreichen würde, die Coulomb-Abstoßung der Elektronen zu kennen (wenn man sich Metalle nicht zu genau anschaut). Aber ohne Quantenmechanik würde man sich immer noch fragen, warum diese Elektronen nicht einfach näher an ihre Kerne herangehen, dh ihren Bahnradius verkleinern/auf einen niedrigeren Energiezustand abfallen und damit den effektiven Radius des Atoms verkleinern. Daher reicht die Coulomb-Abstoßung bereits in dieser Größenordnung nicht aus, um zu erklären, warum Materie überhaupt „fest“ erscheint – nur das Ausschlussprinzip kann erklären, warum sich die Elektronen so verhalten, wie sie es tun.

Wenn es möglich wäre, dass ein Objekt durch ein anderes Objekt hindurchgeht, dann wäre es möglich, dass ein Teil eines Objekts durch einen anderen Teil desselben Objekts hindurchgeht. Daher ist die hier gestellte Frage gleichbedeutend mit der Frage, warum Materie stabil ist. Siehe diese Frage auf mathoverflow . Bei dieser Frage ging es eher um die Stabilität einzelner Atome, aber in meiner Antwort darauf habe ich auf eine Arbeit von Lieb verwiesen. Abschnitt II diskutiert die Stabilität von Schüttgütern. Das Argument hängt sowohl von den Eigenschaften der elektromagnetischen Wechselwirkung als auch vom Pauli-Ausschlussprinzip ab. Wer also behauptet, dass die Stabilität von Schüttgütern ausschließlich auf den einen oder anderen dieser Faktoren zurückzuführen ist, der irrt.

Dasselbe gilt für die Normalkraft. Die Leute werden versuchen zu argumentieren, dass es nur an elektromagnetischen Wechselwirkungen liegt oder nur am Ausschlussprinzip. Das ist aus denselben Gründen falsch.

Obwohl Liebs Behandlung kompliziert ist, gibt es ein ziemlich einfaches Argument, dass die Quantenmechanik für die Stabilität der Materie notwendig ist. Es gibt ein Theorem namens Earnshaws Theorem, das besagt, dass ein klassisches System wechselwirkender geladener Teilchen kein stabiles, statisches Gleichgewicht haben kann. Es ist kein schwieriges oder tiefes Ergebnis; es ist nur eine Anwendung des Gaußschen Gesetzes. Es hilft nicht, das Gleichgewicht eher dynamisch als statisch zu lassen, da die Ladungen dann strahlen würden.

Um die Hauptfrage zu beantworten: Materie "passiert" tatsächlich durch andere Materie . Angefangen von der Makroskala (Sterne, Galaxien) bis hinunter zur Mikroskala (Atome) passiert es ständig. Die "freie" Bewegung der Materie beginnt behindert zu werden, da die Atome beginnen, Latices (Festkörper, Kristalle) zu bilden. Aber selbst in dieser Größenordnung, wie Rutherford demonstrierte, passiert Materie (Alphateilchen) Materie (dünner Goldfilm). Nur in der Größenordnung, in der man versucht, Atome in einem Abstand zu "übergeben", der gleich oder kleiner als die äußere Elektronenbahn (Orbital) ist, stoßen Sie auf Elektronenabstoßungskräfte und das Pauli-Ausschlussprinzip, die verhindern, dass Materie Materie "vorbeigeht". .

Elektrostatische Wechselwirkungen sind der Grund. Denken Sie an einen Spiegel und Ihre Hand? Der Grund, warum eine Hand nicht hindurchpasst, liegt darin, dass Ihre Hand Milliarden von kleinen Magneten enthält, die die Oberfläche des Spiegels abstoßen, genauso wie, warum Sie, wenn Sie auf einem Stuhl sitzen, nicht auf den Mittelpunkt der Erde fallen.

Außerdem gibt es keinen leeren Raum. Ich weiß, dass Sie das schon gehört haben, aber die Quantenmechanik hat dieses irrige Glaubenssystem schon vor einiger Zeit ausgeschlossen. Das Phänomen wird Grundzustands-Energiefelder genannt, die aus virtuellen Teilchen außerhalb der Hülle bestehen. Per Schlussfolgerung gibt es nicht einmal perfekte Newtonsche Staubsauger.

Das ist eine makroskopische Erklärung, Partikel in viel kleineren Maßstäben können den Körper verlassen und Materie passieren, aber ich denke, Ihre Frage zielte auf ersteres ab.