Oj, den här har redan besvarats över, jag vet ... men det är en sådan rolig fråga! Så, här är ett svar som inte har blivit "berört" än ... :)
Du, herre, oavsett din ålder (alla med barn vet vad jag menar), har bett om svar på en av kvantmekanikernas djupaste frågor. I kvantfysikdialekten i High Nerdese går din fråga ner på detta: Varför uppvisar halv-heltal snurrpartiklar Pauli-uteslutning - det vill säga varför vägrar de att vara i samma tillstånd, inklusive samma plats i rymden, samtidigt?
Du är helt korrekt att materia som helhet mestadels är utrymme. Det specifika exemplet på bundna atomer är emellertid förmodligen inte så mycket ett exempel på beröring som det är bindning . Det skulle motsvara att en 10-årig son inte bara pekar på sin 12-åriga syster utan att pricka henne med superlim på handen vilket är ett betydligt mer drastiskt brott som jag tror inte att någon skulle bli mycket road av.
Att röra däremot betyder att du måste trycka - det vill säga utöva verklig energi - för att göra de två objekten kontakta varandra. Och karaktäristiskt, efter det trycket, förblir de två föremålen separata (i de flesta fall) och till och med bundna tillbaka lite efter kontakten.
Så jag tror att man kan argumentera att den verkliga frågan bakom "vad är rörande?" är "varför vill inte fasta objekt komprimeras när du försöker skjuta ihop dem?" Om så inte var fallet faller hela konceptet att röra vid något. Vi skulle alla i bästa fall bli spöklika enheter som inte kan komma i kontakt med varandra, lite som Chihiro när hon försöker driva bort Haku under deras andra möte i Spirited Away .
Nu med det som den skärpta versionen av frågan, varför gör objekt ett sådant folk inte bara drar igenom varandra när de möts, speciellt eftersom de är (som nämnts) nästan helt gjorda av tomt utrymme? / p>
Nu är reflexsvaret - och det är inte dåligt - troligen en elektrisk laddning. Det beror på att vi alla vet att atomer är positiva kärnor omgivna av negativt laddade elektroner, och att negativa laddningar stöter bort. Så, sagt på det sättet, är det kanske inte så förvånande att när de yttre "kanterna" på dessa ganska suddiga atomer kommer för nära, skulle deras respektive uppsättningar elektroner komma tillräckligt nära för att stöta varandra. Så med detta svar skulle "beröring" helt enkelt vara en fråga om atomer som kommer så nära varandra att deras negativt laddade elektronmoln börjar stöta på varandra. Detta avstötning kräver kraft för att övervinna, så de två föremålen "berör" - vändbart komprimerar varandra utan att smälta samman - genom de elektriska fälten som omger elektronerna i deras atomer.
Detta ljud väldigt rätt, och det är till och med rätt rätt ... i begränsad grad.
Här är ett sätt att tänka på frågan: Om avgift var det enda problemet, varför har vissa atomer exakt motsatt reaktion när deras elektronmoln skjuts nära varandra? Till exempel, om du skjuter natriumatomer nära kloratomer, får du de två atomerna som hoppar för att omfamna varandra närmare, med en resulterande frigöring av energi som i större skalor beskrivs ofta med ord som "BOOM!" Så det är klart att mer än bara laddningsavstötning pågår här, eftersom åtminstone vissa kombinationer av elektroner runt atomer gillar att nysa upp mycket närmare varandra istället för längre bort.
Vad garanterar då att två molekyler kommer fram till varandra och istället säger "Hur, trevlig dag ... men, kan du snälla gå tillbaka lite, det blir täppt?"
Det allmänna motståndet mot att komma för nära visar sig inte bero så mycket på elektrisk laddning (som fortfarande spelar en roll) utan snarare på den Pauli-uteslutningseffekt som jag nämnde tidigare. Pauli-utestängning hoppas ofta över i utgångstexter om kemi, vilket kan vara anledningen till att frågor som vad som berör också ofta lämnas dinglande. Utan Pauli-utestängning kommer det alltid att vara lite mystiskt att röra - förmågan hos två stora föremål att ta kontakt utan att slå ihop eller gå samman.
Så vad är Pauli-utestängning? Det är just detta: Mycket små, mycket enkla partiklar som snurrar (roterar) på ett mycket märkligt sätt alltid, alltid insisterar på att vara annorlunda på något sätt, ungefär som barn i stora familjer där alla vill ha sina unika roll eller förmåga eller skillnad. Men partiklar, till skillnad från människor, är mycket enkla saker, så de har bara en mycket begränsad uppsättning alternativ att välja mellan. När de tar slut på dessa enkla alternativ har de bara ett alternativ kvar: de behöver sitt eget utrymme, bortsett från andra partiklar. De kommer då att försvara den biten av rymden väldigt hårt. Det är det försvaret av sitt eget utrymme som leder till att stora samlingar av elektroner insisterar på att ta upp mer och mer övergripande utrymme, eftersom varje liten elektron hugger ut sin egen unika och starkt försvarade gräs.
Partiklar som har denna speciella typ av snurr kallas fermioner , och vanligt materia består av tre huvudtyper av fermioner: protoner, neutroner och elektroner. För elektronerna finns det bara en identifierande funktion som skiljer dem från varandra, och det är så de snurrar: moturs (kallas "upp") eller medurs (kallas "ned"). Man skulle tro att de skulle ha andra alternativ, men det är också ett djupt mysterium för fysiken: Mycket små föremål är så begränsade i den information de har att de inte ens kan ha mer än två riktningar att välja när snurrar runt.
Men det här alternativet är mycket viktigt för att förstå den frågan om bonding som måste hanteras innan atomer kan engagera sig i touching . Två elektroner med motsatta snurr, eller med snurr som kan göras mittemot varandra genom att vrida atomer runt rätt väg, stöter inte varandra: de lockar. I själva verket lockar de så mycket att de är en viktig del av det "BOOM!" Jag nämnde tidigare för natrium och klor, som båda har ensamma elektroner utan spinnpartner som väntar. Det finns andra faktorer för hur energisk bommen är, men poängen är att tills elektroner har bildat så fina, snygga par, har de inte så mycket behov av att uppta utrymme.
När bindningen har hände emellertid - när atomerna är i arrangemang som inte lämnar olyckliga elektroner som sitter och vill engagera sig i nära band - så kommer den territoriella aspekten av elektroner i förgrunden: De börjar försvara sina gräsmarker.
Detta försvar av torv visar sig först på sätt som elektroner kretsar kring atomer, eftersom även elektroner insisterar på att hugga ut sina egna unika och fysiskt separata banor, efter att den första parningen av två elektroner har lösts. Som du kan föreställa dig att försöka kretsa runt en atom medan samtidigt försöka mycket svårt att hålla sig borta från andra elektronpar kan leda till några ganska komplicerade geometrier. Och det är också en mycket bra sak, för de komplicerade geometrierna leder till något som kallas kemi, där olika antal elektroner kan uppvisa mycket olika egenskaper på grund av att nya elektroner pressas ut i alla möjliga nyfikna och ofta mycket exponerade yttre banor.
I metaller blir det så dåligt att de yttersta elektronerna i huvudsak blir samhällsbarn som drar runt hela metallkristallen istället för att hålla fast vid enskilda atomer. Det är därför metaller bär värme och elektricitet så bra. Faktum är att när du tittar på en glänsande metallspegel tittar du direkt på de snabbaste rörelserna från dessa elektroner. Det är också anledningen till att man i yttre rymden måste vara mycket försiktig med att röra två bitar av ren metall till varandra, för med alla dessa elektroner som är blixtlås, kan de två delarna mycket väl bestämma sig för att binda till en enda ny metallbit istället att bara röra. Denna effekt kallas vakuumsvetsning, och det är ett exempel på varför du måste vara försiktig med att anta att fasta ämnen som kommer i kontakt alltid kommer att förbli åtskilda.
Men många material, som du och din hud, gör inte ' Jag har inte många av dessa gemenskapselektroner och är istället fulla av elektronpar som är mycket nöjda med de situationer de redan har, tack. Och när dessa typer av material och dessa typer av elektroner närmar sig, utesluter Pauli-uteslutningseffekten, och elektronerna blir väldigt defensiva för sitt gräs.
Resultatet på storskalig nivå är vad vi kallar beröring: förmågan att ta kontakt utan att enkelt trycka igenom eller slå ihop, en storskalig summa av alla de enskilda höginnehållna elektronerna som försvarar sina små bitar av gräset.
Så till slut, varför vill elektroner och andra fermioner så desperat ha sina egna bitar av unikt tillstånd och utrymme helt för sig själva? Och varför, i varje experiment som någonsin gjorts, är detta motstånd mot sammanslagning alltid alltid associerat med den speciella typ av snurr jag nämnde, en form av snurr som är så minimal och så konstig att det inte riktigt kan vara beskrivs inom vanligt tredimensionellt utrymme?
Vi har fantastiskt effektiva matematiska modeller av denna effekt. Det har att göra med antisymmetriska vågfunktioner. Dessa fantastiska modeller är viktiga för saker som halvledarindustrin bakom alla våra moderna elektroniska enheter, såväl som kemi i allmänhet, och naturligtvis forskning om grundläggande fysik.
Men om du frågar "varför" fråga, det blir mycket svårare. Det mest ärliga svaret är, tror jag, "för det är vad vi ser: halvspinnande partiklar har antisymmetriska vågfunktioner, och det betyder att de försvarar sina utrymmen."
Men att koppla ihop de två tätt - något kallas spin-statistikproblemet - har aldrig riktigt svarats på ett sätt som Richard Feynman skulle ha kallat tillfredsställande. I själva verket förklarade han planlöst mer än en gång att detta (och flera andra objekt inom kvantfysik) var stilla i grunden mysterier för vilka vi saknade riktigt djup insikt i varför det universum vi känner fungerar så.
Och det är därför min fråga om "vad är rörande?" berör djupare fysiska mysterier djupare än du kanske har insett. Det är en bra fråga.
2012-07-01 Tillägg
Här är ett relaterat svar jag gjorde för S.E. Kemi. Det berör många av samma frågor, men med mer tonvikt på varför "spin-parning" av elektroner tillåter atomer att dela och stjäla elektroner från varandra - det vill säga det låter dem bilda bindningar. Det är inte en klassisk förklaring av lärobok om bindning, och jag använder många informella engelska ord som inte är matematiskt korrekta. Men fysikbegreppen är korrekta. Mitt hopp är att det kan ge en bättre intuitiv känsla för det ganska anmärkningsvärda mysteriet om hur en oladdad atom (t.ex. klor) kan övervinna den enorma elektrostatiska attraktionen hos en neutral atom (t.ex. natrium) för att stjäla en eller flera av dess elektroner.