Was bedeutet es, wenn sich zwei Objekte „berühren“?

Wow, diese Frage wurde schon überbeantwortet, ich weiß ... aber es ist so eine lustige Frage! Also, hier ist eine Antwort, die noch nicht "angetastet" wurde ... :)

Sie, mein Herr, unabhängig von Ihrem Alter (jeder mit Kindern wird wissen, was ich meine), haben um eine Antwort auf eine der tiefsten Fragen der Quantenmechanik gebeten. Im quantenphysikalischen Dialekt von High Nerdese läuft Ihre Frage auf Folgendes hinaus: Warum weisen Teilchen mit halbzahligem Spin einen Pauli-Ausschluss auf – das heißt, warum weigern sie sich, im selben Zustand zu sein, einschließlich am selben Ort im Raum? die selbe Zeit?

Sie haben ganz recht, dass Materie als Ganzes hauptsächlich Raum ist. Das spezifische Beispiel gebundener Atome ist jedoch wohl weniger ein Beispiel für eine Berührung als vielmehr für eine Bindung . Es wäre das Äquivalent eines 10-jährigen Sohnes, der seine 12-jährige Schwester nicht nur stupst, sondern sie mit Sekundenkleber an seiner Hand stupst , was ein wesentlich drastischeres Vergehen ist, von dem ich glaube, dass es niemand tun würde sehr amüsiert.

Berühren bedeutet im Gegensatz dazu, dass Sie etwas Kraft aufwenden müssen, um die beiden Objekte miteinander in Kontakt zu bringen . Und charakteristischerweise bleiben die beiden Objekte nach diesem Stoß (in den meisten Fällen) getrennt und werden sogar etwas zurückgebunden, nachdem der Kontakt hergestellt wurde.

Also, ich denke, man kann argumentieren, dass die eigentliche Frage hinter "was ist berührend?" ist "Warum wollen feste Objekte nicht komprimiert werden, wenn Sie versuchen, sie zusammenzudrücken?" Wenn das nicht der Fall wäre, fällt das ganze Konzept der Berührung irgendwie auseinander. Wir würden alle bestenfalls zu gespenstischen Wesen werden, die keinen Kontakt zueinander herstellen können, ein bisschen wie Chihiro, als sie versucht, Haku bei ihrem zweiten Treffen in Spirited Away wegzustoßen .

Nun, mit dieser geschärften Version der Frage, warum schwirren Objekte wie Menschen nicht einfach durcheinander, wenn sie sich treffen, zumal sie (wie bereits erwähnt) fast vollständig aus leerem Raum bestehen?

Nun ist die Reflexantwort – und sie ist keine schlechte – wahrscheinlich elektrische Ladung. Das liegt daran, dass wir alle wissen, dass Atome positive Kerne sind, die von negativ geladenen Elektronen umgeben sind, und dass sich negative Ladungen abstoßen. So ausgedrückt, ist es vielleicht nicht allzu überraschend, dass, wenn die äußeren "Kanten" dieser eher verschwommenen Atome zu nahe kommen, ihre jeweiligen Elektronensätze nahe genug kommen, um sich gegenseitig abzustoßen. Bei dieser Antwort wäre "Berühren" also einfach eine Frage von Atomen, die sich so nahe kommen, dass ihre negativ geladenen Elektronenwolken anfangen, gegeneinander zu stoßen. Diese Abstoßung erfordert Kraft, um sie zu überwinden, sodass sich die beiden Objekte durch die elektrischen Felder, die die Elektronen ihrer Atome umgeben, „berühren“ – einander reversibel komprimieren, ohne zu verschmelzen.

Das klingt schrecklich richtig, und es ist sogar richtig ... bis zu einem gewissen Grad.

Hier ist eine Möglichkeit, über das Problem nachzudenken: Wenn die Ladung das einzige Problem wäre, warum haben dann einige Atome genau die entgegengesetzte Reaktion, wenn ihre Elektronenwolken nahe aneinander geschoben werden? Wenn Sie beispielsweise Natriumatome in die Nähe von Chloratomen schieben, erhalten Sie zwei Atome, die sich enger umarmen, was zu einer Energiefreisetzung führt, die in größeren Maßstäben oft mit Worten wie "BOOM!" beschrieben wird. Hier geht also eindeutig mehr als nur Ladungsabstoßung vor sich, da sich zumindest einige Kombinationen von Elektronen um Atome herum gerne viel näher aneinander schmiegen als weiter weg.

Was garantiert dann, dass zwei Moleküle aufeinander zugehen und stattdessen sagen: "Hallo, schönen Tag ... aber, äh, könntest du dich bitte etwas zurücknehmen, es wird stickig?"

Es stellt sich heraus, dass dieser generelle Widerstand gegen eine zu große Annäherung nicht so sehr von der elektrischen Ladung herrührt (die immer noch eine Rolle spielt), sondern eher von dem zuvor erwähnten Pauli-Ausschlusseffekt. Der Pauli-Ausschluss wird in Einstiegstexten zur Chemie oft übersprungen, weshalb vielleicht auch Fragen wie das, was Anfassen bedeutet, oft etwas baumeln gelassen werden. Ohne Pauli-Ausschluss wird das Berühren – die Fähigkeit zweier großer Objekte, sich zu berühren, ohne zu verschmelzen oder sich zu verbinden – immer ein bisschen mysteriös bleiben.

Was ist also Pauli-Ausschluss? Es ist nur so: Sehr kleine, sehr einfache Partikel, die sich immer auf eine sehr eigentümliche Weise drehen (rotieren), immer darauf bestehen, irgendwie anders zu sein, ähnlich wie Kinder in großen Familien, in denen jeder seine einzigartige Rolle oder Fähigkeit oder Auszeichnung haben möchte. Aber Partikel sind im Gegensatz zu Menschen sehr einfache Dinge, daher haben sie nur eine sehr begrenzte Auswahl an Optionen. Wenn ihnen diese einfachen Optionen ausgehen, bleibt ihnen nur noch eine Option: Sie brauchen ihren eigenen Platz, getrennt von allen anderen Partikeln. Sie werden dieses Stückchen Raum dann wirklich sehr erbittert verteidigen. Es ist diese Verteidigung ihres eigenen Raums, die dazu führt, dass große Ansammlungen von Elektronen darauf bestehen, immer mehr Gesamtraum einzunehmen, während jedes winzige Elektron sein eigenes, einzigartiges und heftig verteidigtes Stück Revier aushöhlt.

Teilchen mit dieser besonderen Art von Spin werden Fermionen genannt , und gewöhnliche Materie besteht aus drei Haupttypen von Fermionen: Protonen, Neutronen und Elektronen. Für die Elektronen gibt es nur ein Unterscheidungsmerkmal, das sie voneinander unterscheidet, und das ist, wie sie sich drehen: gegen den Uhrzeigersinn (genannt „oben“) oder im Uhrzeigersinn (genannt „unten“). Man könnte meinen, sie hätten andere Möglichkeiten, aber auch das ist ein tiefes Mysterium der Physik: Sehr kleine Objekte sind so begrenzt in der Information, die sie tragen, dass sie nicht einmal mehr als zwei Richtungen haben können, aus denen sie wann wählen können drehen.

Diese eine Option ist jedoch sehr wichtig, um das Problem der Bindung zu verstehen, das behandelt werden muss, bevor sich Atome berühren können . Zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin oder mit Spins, die durch richtiges Drehen von Atomen entgegengesetzt gemacht werden können, stoßen sich nicht ab: Sie ziehen sich an. Tatsächlich ziehen sie so viel an, dass sie ein wichtiger Teil dieses „BOOM“ sind! Ich erwähnte bereits Natrium und Chlor, die beide einsame Elektronen ohne Spinpartner haben, die warten. Es gibt andere Faktoren dafür, wie energisch der Boom ist, aber der Punkt ist, dass Elektronen nicht so viel Platz einnehmen müssen, bis sie so schöne, ordentliche Paare gebildet haben.

Sobald die Bindung jedoch erfolgt ist – sobald die Atome in Anordnungen sind, die keine unglücklichen Elektronen herumsitzen lassen, die enge Bindungen eingehen wollen – dann tritt der territoriale Aspekt der Elektronen in den Vordergrund: Sie beginnen, ihr Revier erbittert zu verteidigen.

Diese Verteidigung des Rasens zeigt sich zuerst in der Art und Weise, wie Elektronen Atome umkreisen, da selbst dort die Elektronen darauf bestehen, ihre eigenen einzigartigen und physikalisch getrennten Umlaufbahnen zu schnitzen, nachdem diese erste Paarung von zwei Elektronen aufgelöst ist. Wie Sie sich vorstellen können, kann der Versuch, ein Atom zu umkreisen, während Sie sich gleichzeitig sehr bemühen, sich von anderen Elektronenpaaren fernzuhalten, zu ziemlich komplizierten Geometrien führen. Und das ist auch eine sehr gute Sache, denn diese komplizierten Geometrien führen zu etwas, das als Chemie bezeichnet wird, wo eine unterschiedliche Anzahl von Elektronen sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann, weil neue Elektronen in alle möglichen merkwürdigen und oft sehr exponierten Außenbahnen gequetscht werden.

Bei Metallen wird es so schlimm, dass die äußersten Elektronen im Wesentlichen zu Gemeinschaftskindern werden, die um den gesamten Metallkristall flitzen, anstatt an einzelnen Atomen zu haften. Deshalb transportieren Metalle Wärme und Strom so gut. Wenn Sie auf einen glänzenden Metallspiegel blicken, blicken Sie tatsächlich direkt auf die sich am schnellsten bewegenden dieser gemeinschaftsweiten Elektronen. Das ist auch der Grund, warum Sie im Weltraum sehr vorsichtig sein müssen, wenn Sie zwei saubere Metallstücke miteinander berühren, denn mit all diesen Elektronen, die herumfliegen, können sich die beiden Stücke sehr wohl dafür entscheiden, sich stattdessen zu einem einzigen neuen Metallstück zu verbinden nur zu berühren. Dieser Effekt wird als Vakuumschweißen bezeichnet und ist ein Beispiel dafür, warum Sie vorsichtig sein müssen, wenn Sie davon ausgehen, dass sich berührende Feststoffe immer getrennt bleiben.

Aber viele Materialien, wie Sie und Ihre Haut, haben nicht viele dieser Gemeinschaftselektronen und sind stattdessen voller Elektronenpaare, die sehr zufrieden mit der Situation sind, die sie bereits haben, danke. Und wenn sich diese Arten von Materialien und diese Arten von Elektronen nähern, greift der Pauli-Ausschlusseffekt und die Elektronen werden sehr defensiv gegenüber ihrem Revier.

Das Ergebnis auf unserer großräumigen Ebene ist das, was wir Berührung nennen: die Fähigkeit, Kontakt herzustellen, ohne sich leicht durchdrücken oder verschmelzen zu müssen, eine großräumige Summe all dieser einzelnen hochinhaltsreichen Elektronen, die ihr kleines Revier verteidigen.

Also zum Schluss, warum wollen Elektronen und andere Fermionen so verzweifelt ihre eigenen Teile mit einzigartigem Zustand und Raum ganz für sich haben? Und warum ist dieser Widerstand gegen Verschmelzung in jedem Experiment, das jemals durchgeführt wurde, immer mit dieser eigentümlichen Art von Spin verbunden, die ich erwähnt habe, einer Form von Spin, die so minimal und so seltsam ist, dass sie im gewöhnlichen dreidimensionalen Raum nicht genau beschrieben werden kann ?

Wir haben fantastisch effektive mathematische Modelle dieses Effekts. Es hat mit antisymmetrischen Wellenfunktionen zu tun. Diese erstaunlichen Modelle sind maßgeblich für Dinge wie die Halbleiterindustrie hinter all unseren modernen elektronischen Geräten sowie für die Chemie im Allgemeinen und natürlich für die Erforschung der Grundlagenphysik.

Aber wenn Sie die „Warum“-Frage stellen, wird das viel schwieriger. Die ehrlichste Antwort ist, denke ich, "weil wir das sehen: Halbspin-Teilchen haben antisymmetrische Wellenfunktionen, und das bedeutet, dass sie ihre Räume verteidigen."

Aber die beiden eng miteinander zu verknüpfen – das so genannte Spin-Statistik-Problem – wurde nie wirklich auf eine Weise beantwortet, die Richard Feynman als zufriedenstellend bezeichnet hätte. Tatsächlich erklärte er mehr als einmal rundheraus, dass dies (und einige andere Dinge in der Quantenphysik) im Grunde immer noch Rätsel seien, für die uns wirklich tiefe Einblicke in die Gründe dafür fehlten, warum das uns bekannte Universum so funktioniert.

Und deshalb, mein Herr, ist Ihre Frage "Was ist berührend?" berührt die tiefgründigen Geheimnisse der Physik tiefer, als Sie vielleicht gedacht haben. Das ist eine gute Frage.

2012-07-01 Nachtrag

Hier ist eine verwandte Antwort, die ich für SE Chemistry gemacht habe . Es berührt viele der gleichen Themen, aber mit mehr Betonung darauf, warum die „Spin-Paarung“ von Elektronen es Atomen ermöglicht, Elektronen zu teilen und voneinander zu stehlen – das heißt, es lässt sie Bindungen eingehen. Es ist keine klassische Lehrbucherklärung zum Thema Bindung, und ich verwende viele umgangssprachliche englische Wörter, die mathematisch nicht korrekt sind. Aber die physikalischen Konzepte sind genau. Ich hoffe, dass es ein besseres intuitives Gefühl für das ziemlich bemerkenswerte Rätsel vermitteln kann, wie ein ungeladenes Atom (z. B. Chlor) die enorme elektrostatische Anziehungskraft eines neutralen Atoms (z. B. Natrium) überwinden kann, um eines oder mehrere seiner Elektronen zu stehlen.

Der gesunde Menschenverstand des Berührens kann mit "wissenschaftlichen Mitteln" als ein Ereignis ausgedrückt werden, bei dem die Austausch-Abstoßungs-Wechselwirkung zwischen zwei Objekten (Sie und der Aussenseiter) einen beliebigen Wert ausdehnt, sagen wir 1 meV. Ich überlasse es einer späteren Diskussion, einen angenehmen Schwellenwert zu finden, der leicht zu messen ist. :)

Als brauchbare Heuristik würde ich mit etwas in der Art von gehen

Die intermolekularen Kräfte zwischen den Oberflächenmolekülen der Körper sind vergleichbar mit der Skala der intermolekularen Eins-zu-eins-Kräfte zwischen benachbarten {*} Molekülen aufgrund anderer Komponenten desselben Körpers

Sie könnten es ein wenig strenger machen, indem Sie "vergleichbar mit" durch "nicht vernachlässigbar im Vergleich zu" ersetzen, wenn Sie möchten.

Sicherlich muss jede Situation zählen, die eine nicht vernachlässigbare Verformung eines der beiden Körper durch zwischenmolekulare Kräfte erzeugt.

{*} In einem Festkörper – und ich rede im Moment nur von Festkörpern – wird jedes Molekül durch eine Vielzahl elektromagnetischer Kräfte in einer ungefähr konstanten Beziehung zu seinen Nachbarn gehalten. Natürlich ist das Netz im Gleichgewicht Null (zumindest gemittelt über Zeitskalen, die länger als die Zeitskala der thermischen Bewegung sind) und liefert keine große Skala. Aber dieses Netz ist eine Kombination aus Push und Pulls von mehreren Nachbarn. Nehmen Sie den Durchschnitt der Größenordnungen dieser Eins-zu-eins-Kräfte als richtige Vergleichsskala.

Die Situation in Flüssigkeiten ist nicht einfach, da die Bits nicht in einer festen Beziehung zueinander stehen, aber wir können wahrscheinlich einfach den gleichen lokalen Mittelwert der Größen verwenden.

Unter diesen Definitionen berührt dich der nervige kleine elfjährige Junge und verdient es , in dieser hochentwickelten Post-Gewalt-Gesellschaft sanft auf den Kopf geschlagen zu werden.

Dies ist eine sehr legitime Frage für etwas, das wir normalerweise für selbstverständlich halten.

Ich denke, es wäre möglich, makroskopisch berührend die Situation zu definieren, in der die Gesamtkraft zwischen zwei elektrisch neutralen starren Körpern größer ist als die reine Gravitation (für einen messbaren Wert). Die Differenz ist natürlich die Normalkomponente der Oberflächenkraft plus Reibung.

Die damit verbundene Frage lautet: "Wie misst oder definiert man die Normalkomponente der Oberflächenkraft?" Die Normalkomponente ist offensichtlich indirekt definiert, als das Gegenteil zur Summe der Normalkomponenten aller anderen Kräfte!

Zumindest solange Sie sich nicht selbst "berühren" (wie räumlicher DNA-Transfer) definieren, ist dies eher eine philosophische als eine physikalische Frage.

Sie erwähnen Zenos Paradoxon, aber man könnte dies auf viele verschiedene Arten angehen/interpretieren, einschließlich Fragen nach „Absicht“, „Bewusstsein“, dem „Ich“ und so weiter. Ich meine, es gibt eine riesige Anzahl von Lebensformen auf deiner Haut, die du als „du“ zählst. Auch wenn Sie Handschuhe/Kondom tragen, berührt es sich nicht? Das Konzept des Berührens ist mindestens so schwierig wie das Konzept der Punkte.

Für meinen Geschmack nehmen Sie die Physik auch "zu wörtlich". In physikalischen Begriffen zu sprechen bedeutet, in Begriffen zu sprechen, die in einer (von Menschen gemachten) physikalischen Theorie enthalten sind. Außerdem braucht man nicht einmal eine quantenmechanische Wellenfunktion, um zu beobachten, dass Kontakt eine abstrakte Sache ist. Wann weitreichende Kräfte wirklich vernachlässigt werden können, scheint eine Frage zu sein, die mit „niemals“ oder (und das ist die Antwort, die meiner Meinung nach am besten passt) mit praktischen operativen Mitteln beantwortet werden sollte.