Ένα από τα πιο αινιγματικά δεδομένα που μαθαίνουμε, είναι ότι τα άτομα, αν και αποτελούνται από πολύ μικρά σωματίδια όπως πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια, είναι στην πραγματικότητα αρκετά μεγάλα: περίπου 10^-10 μέτρα σε διάμετρο. Αντίθετα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια έχουν διάμετρο μόλις 10^-15 μέτρα, ενώ τα ηλεκτρόνια, όπως μπορούμε να συμπεράνουμε, είναι σημειακά σωματίδια χωρίς μετρήσιμο μέγεθος. Έτσι, τα άτομα φαίνονται να είναι κυρίως κενός χώρος. Αν αυτό ισχύει, τότε θα περιμέναμε ότι η ύλη, που αποτελείται από άτομα, θα ήταν κι αυτή κυρίως κενή και ότι δύο αντικείμενα φτιαγμένα από άτομα θα μπορούσαν να διαπεράσουν το ένα το άλλο. Παρόλα αυτά, η ύλη είναι στερεή και η κβαντική φυσική εξηγεί το γιατί.
Εδώ στη Γη, καθώς και στους περισσότερους τόπους του Σύμπαντος, ό,τι παρατηρούμε και αλληλεπιδρούμε μαζί του αποτελείται από άτομα. Υπάρχουν περίπου 90 διαφορετικά είδη ατόμων στη φύση, καθένα με μοναδικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Αν και κάποτε θεωρούνταν αδιαίρετες μονάδες ύλης, σήμερα γνωρίζουμε ότι τα άτομα έχουν εσωτερική δομή: έναν μικροσκοπικό, θετικά φορτισμένο και βαρύ πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια, και γύρω του ένα νέφος από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, με πολύ μικρότερη μάζα.
Γιατί τα άτομα είναι μεγαλύτερα από τα συστατικά τους
Οι διαστάσεις των ατόμων, γύρω στα 10^-10 μέτρα, είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές των συστατικών τους. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι περίπου 100.000 φορές μικρότερα, με μήκος περίπου 10^-15 μέτρα, ενώ τα ηλεκτρόνια είναι τόσο μικρά που οι μετρήσεις τα περιορίζουν σε μέγεθος μικρότερο από 10^-19 μέτρα. Παρόλα αυτά, τα άτομα δημιουργούν πολύ μεγαλύτερους όγκους χώρου από το άθροισμα των συστατικών τους.
Είναι εύλογο λοιπόν κάποιος να αναρωτηθεί:
Πώς γίνεται τα άτομα, τα οποία είναι κυρίως κενός χώρος, να δημιουργούν στερεά αντικείμενα που δεν διαπερνούν το ένα το άλλο;
Η απάντηση βρίσκεται στην κβαντική φύση των ατόμων.
Η αρχή της κβαντικής αβεβαιότητας και η στερεότητα της ύλης
Ένα άτομο είναι ένα κβαντομηχανικό αντικείμενο, με έναν βαρύ, θετικά φορτισμένο πυρήνα και ένα αρνητικά φορτισμένο νέφος ηλεκτρονίων γύρω του. Η κβαντική αβεβαιότητα και η κυματική συμπεριφορά των σωματιδίων καθορίζουν τη δομή του ατόμου, ενώ η απαγορευτική αρχή του Pauli εξηγεί γιατί η ύλη είναι στερεή.
Η αρχή του Pauli, που ισχύει για τα φερμιόνια (σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια), ορίζει ότι:
Δύο φερμιόνια δεν μπορούν να καταλάβουν την ίδια κβαντική κατάσταση ταυτόχρονα. Όταν προσπαθούμε να φέρουμε δύο στερεά αντικείμενα σε επαφή, τα ηλεκτρόνια τους, που ήδη καταλαμβάνουν τις χαμηλότερες ενεργειακές καταστάσεις, δεν μπορούν να μοιραστούν αυτές τις καταστάσεις. Η προσπάθεια να τα "πιέσουμε" οδηγεί σε αύξηση της ενέργειας, κάτι που δεν μπορεί να επιτευχθεί με φυσική δύναμη.
Η σταθερότητα της ύλης και η σημασία της
Αυτός ο "εκφυλισμός της πίεσης" εξηγεί γιατί η ύλη είναι σταθερή και αδιαπέραστη. Η ίδια αρχή ισχύει και σε ακραίες περιπτώσεις, όπως στους λευκούς νάνους και τα αστέρια νετρονίων, όπου η απαγορευτική αρχή του Pauli εμποδίζει την κατάρρευση της ύλης. Μόνο στις μαύρες τρύπες καταρρέει η ύλη τόσο έντονα, ώστε η αρχή αυτή να μην ισχύει.
Αν δεν υπήρχε η απαγορευτική αρχή του Pauli και η φερμιονική φύση της ύλης, ακόμα και απλές πράξεις, όπως το να καθίσουμε σε μια καρέκλα, θα ήταν αδύνατες.
Η κβαντική μηχανική, λοιπόν, δεν εξηγεί μόνο γιατί η ύλη είναι στερεή, αλλά και γιατί καταλαμβάνει συγκεκριμένο χώρο, δίνοντας μορφή και σταθερότητα στον κόσμο που γνωρίζουμε.
