Wow, dieser wurde bereits überbeantwortet, ich weiß ... aber es ist so eine lustige Frage! Also, hier ist eine Antwort, die noch nicht "berührt" wurde ... :)
Sie, Sir, egal wie alt Sie sind (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 darauf hinaus: Warum weisen halb ganzzahlige Spinpartikel einen Pauli-Ausschluss auf - das heißt, warum weigern sie sich, im selben Zustand zu sein, einschließlich der gleiche Ort im Raum zur gleichen Zeit?
Sie haben völlig Recht, dass Materie als Ganzes größtenteils Raum ist. Das spezifische Beispiel für gebundene Atome ist jedoch wohl weniger ein Beispiel für Berührungen als vielmehr für Bindungen . Es wäre das Äquivalent eines 10-jährigen Sohnes, der nicht nur seine 12-jährige Schwester stupst, sondern sie mit Sekundenkleber auf der Hand stößt, was eine wesentlich drastischere Straftat ist als ich Denken Sie nicht, dass sich jemand darüber amüsieren würde.
Berühren bedeutet im Gegensatz dazu, dass Sie drücken - das heißt, echte Energie aufwenden müssen -, um die beiden Objekte herzustellen miteinander in Kontakt treten. Und charakteristischerweise bleiben die beiden Objekte nach diesem Push (in den meisten Fällen) getrennt und werden nach dem Herstellen des Kontakts sogar ein wenig zurückgebunden.
Ich denke also, man kann argumentieren dass die eigentliche Frage hinter "Was berührt?" lautet: "Warum möchten feste Objekte nicht komprimiert werden, wenn Sie versuchen, sie zusammenzuschieben?" Wenn das nicht der Fall wäre, fällt das gesamte Konzept der Berührung auseinander. Wir würden alle bestenfalls gespenstische Wesen werden, die keinen Kontakt miteinander herstellen können, ein bisschen wie Chihiro, als sie versucht, Haku während ihres zweiten Treffens in Spirited Away wegzuschieben.
Jetzt Warum Objekte wie eine geschärfte Version der Abfrage, warum Objekte solche Personen nicht einfach durcheinander ziehen, wenn sie sich treffen, zumal sie (wie bereits erwähnt) fast ausschließlich aus leerem Raum bestehen?
Nun ist die Reflexantwort - und es 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 negative Ladungen abstoßen. So ausgedrückt ist es vielleicht nicht allzu überraschend, dass, wenn die äußeren "Kanten" dieser eher unscharfen Atome zu nahe kommen, ihre jeweiligen Elektronensätze nahe genug kommen, um sich gegenseitig abzustoßen. Nach dieser Antwort wäre "Berühren" einfach eine Frage von Atomen, die sich so nahe kommen, dass ihre negativ geladenen Elektronenwolken ineinander stoßen. Diese Abstoßung erfordert Kraft, um sie zu überwinden, so dass sich die beiden Objekte durch die elektrischen Felder, die die Elektronen ihrer Atome umgeben, "berühren" - reversibel komprimieren, ohne zu verschmelzen.
Dies klingt schrecklich richtig, und es ist sogar richtig ... in begrenztem Umfang.
Hier ist eine Möglichkeit, sich das Problem vorzustellen: Wenn nur die Gebühr betroffen war, warum dann? Haben einige Atome genau die entgegengesetzte Reaktion, wenn ihre Elektronenwolken nahe beieinander gedrückt werden? Wenn Sie beispielsweise Natriumatome in die Nähe von Chloratomen schieben, springen die beiden Atome, um sich enger zu umarmen, was zu einer Energiefreisetzung führt, die in größeren Maßstäben häufig mit Worten wie "BOOM!" Es ist also klar, dass hier etwas mehr als nur Ladungsabstoßung vor sich geht, da zumindest einige Kombinationen von Elektronen um Atome gerne viel näher beieinander liegen als weiter entfernt.
Was garantiert dann diese beiden Moleküle werden aufeinander zukommen und stattdessen sagen "Grüß dich, schöner Tag ... aber, ähm, könntest du dich bitte ein bisschen zurückziehen, es wird stickig?"
Dieser allgemeine Widerstand gegen zu nahe kommt resultiert nicht so sehr aus der elektrischen Ladung (die immer noch eine Rolle spielt), sondern aus dem zuvor erwähnten Pauli-Ausschlusseffekt. Der Ausschluss von Pauli wird in den Ausgangstexten zur Chemie oft übersprungen, weshalb möglicherweise auch Fragen wie das, was Berühren bedeutet, oft ein wenig baumeln. Ohne Pauli-Ausschluss bleibt das Berühren - die Fähigkeit zweier großer Objekte, Kontakt aufzunehmen, ohne zu verschmelzen oder sich zu verbinden - immer etwas mysteriös.
Was ist also Pauli-Ausschluss? Es ist nur das: Sehr kleine, sehr einfache Partikel, die sich immer auf eine sehr eigenartige Weise drehen, immer darauf bestehen, in irgendeiner Weise anders zu sein, ähnlich wie Kinder in großen Familien, in denen jeder sein Einzigartiges will Rolle oder Fähigkeit oder Unterscheidung. Aber Partikel sind im Gegensatz zu Menschen sehr einfache Dinge, so dass sie nur eine sehr begrenzte Auswahl haben. Wenn ihnen diese einfachen Optionen ausgehen, haben sie nur noch eine Option: Sie benötigen neben jedem anderen Partikel ein eigenes Stück Platz. Sie werden dann dieses Stück Raum in der Tat sehr heftig verteidigen. Es ist diese Verteidigung ihres eigenen Raums, die große Sammlungen von Elektronen dazu veranlasst, darauf zu bestehen, immer mehr Gesamtraum einzunehmen, da jedes winzige Elektron sein eigenes einzigartiges und heftig verteidigtes Stück Rasen herausschneidet.
Partikel, die Diese besondere 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 Erkennungsmerkmal, das sie voneinander unterscheidet, und so drehen sie sich: gegen den Uhrzeigersinn ("oben" genannt) oder im Uhrzeigersinn ("unten" genannt). Man könnte meinen, sie hätten andere Möglichkeiten, aber auch das ist ein tiefes Rätsel der Physik: Sehr kleine Objekte sind in ihren Informationen so begrenzt, dass sie nicht einmal mehr als zwei Richtungen zur Auswahl haben können, wann herumwirbeln.
Diese eine Option ist jedoch sehr wichtig, um das Problem der Bindung zu verstehen, das behandelt werden muss, bevor Atome berühren können. Zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins oder mit Spins, die durch Drehen der Atome in die richtige Richtung gegenübergestellt werden können, stoßen sich nicht ab: Sie ziehen sich an. Tatsächlich ziehen sie so viel an, dass sie ein wichtiger Teil dieses "BOOM!" Ich habe bereits erwähnt, dass Natrium und Chlor, die beide einsame Elektronen ohne Spinpartner haben, warten. Es gibt andere Faktoren, wie energisch der Boom ist, aber der Punkt ist, dass Elektronen, bis sie so schöne, ordentliche Paare gebildet haben, nicht so viel Platz einnehmen müssen.
Sobald die Bindung abgeschlossen ist passiert jedoch - sobald sich die Atome in Arrangements befinden, in denen keine unglücklichen Elektronen herumsitzen und enge Bindungen eingehen wollen -, tritt der territoriale Aspekt der Elektronen in den Vordergrund: Sie beginnen, ihren Rasen heftig zu verteidigen.
Diese Verteidigung des Rasens zeigt sich zunächst in der Art und Weise, wie Elektronen um Atome kreisen, da selbst dort die Elektronen darauf bestehen, ihre eigenen einzigartigen und physikalisch getrennten Bahnen zu formen, nachdem diese erste Paarung zweier Elektronen aufgelöst wurde. Wie Sie sich vorstellen können, kann der Versuch, ein Atom zu umkreisen, während gleichzeitig sehr bemüht ist, sich von anderen Elektronenpaaren fernzuhalten, zu ziemlich komplizierten Geometrien führen. Und auch das ist eine sehr gute Sache, denn diese komplizierten Geometrien führen zu einer sogenannten Chemie, bei der eine unterschiedliche Anzahl von Elektronen sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann, da neue Elektronen in alle möglichen neugierigen und oft stark exponierten Außenbahnen herausgedrückt werden.
In Metallen wird es so schlimm, dass die äußersten Elektronen im Wesentlichen zu Community-Kindern werden, die sich um den gesamten Metallkristall drehen, anstatt an einzelnen Atomen zu haften. Deshalb transportieren Metalle Wärme und Strom so gut. Wenn Sie einen glänzenden Metallspiegel betrachten, sehen Sie direkt das sich am schnellsten bewegende dieser gemeinschaftsweiten Elektronen. Es ist auch der Grund, warum Sie im Weltraum sehr vorsichtig sein müssen, wenn Sie zwei saubere Metallstücke miteinander berühren, da sich die beiden Teile bei all diesen Elektronen sehr wohl zu einem neuen Metallstück verbinden können nur zu berühren. Dieser Effekt wird als Vakuumschweißen bezeichnet und ist ein Beispiel dafür, warum Sie vorsichtig sein müssen, wenn Sie davon ausgehen, dass Feststoffe, die Kontakt aufnehmen, immer getrennt bleiben.
Aber viele Materialien, wie Sie und Ihre Haut, tun dies nicht. Ich habe nicht viele dieser Gemeinschaftselektronen und bin stattdessen voller Elektronenpaare, die mit den Situationen, die sie bereits haben, sehr zufrieden sind. 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 Rasen.
Das Ergebnis auf unserer großräumigen Ebene ist das, was wir als Berühren bezeichnen: die Fähigkeit, Kontakt aufzunehmen, ohne leicht durchzudrücken oder zu verschmelzen, eine großräumige Summe all dieser einzelnen Elektronen mit hohem Gehalt, die ihre kleinen Rasenstücke verteidigen. P. >
Warum wollen Elektronen und andere Fermionen so verzweifelt ihre eigenen Teile von einzigartigem Zustand und Raum für sich haben? Und warum ist in jedem Experiment, das jemals durchgeführt wurde, dieser Widerstand gegen die Fusion immer mit dieser besonderen Art von Spin verbunden, die ich erwähnt habe, einer Form von Spin, die so minimal und so seltsam ist, dass es nicht ganz sein kann im gewöhnlichen dreidimensionalen Raum beschrieben?
Wir haben fantastisch effektive mathematische Modelle dieses Effekts. Es hat mit antisymmetrischen Wellenfunktionen zu tun. Diese erstaunlichen Modelle spielen eine wichtige Rolle bei Dingen wie der Halbleiterindustrie hinter all unseren modernen elektronischen Geräten sowie der Chemie im Allgemeinen und natürlich der Erforschung der Grundlagenphysik.
Aber wenn Sie nach dem "Warum" fragen. Frage, das wird viel schwieriger. Die ehrlichste Antwort lautet, denke ich, "weil wir genau das sehen: Half-Spin-Partikel haben antisymmetrische Wellenfunktionen, und das bedeutet, dass sie ihre Räume verteidigen."
Aber die beiden eng miteinander verbinden - etwas genannt das Spin-Statistik-Problem - wurde nie wirklich so beantwortet, wie Richard Feynman es als zufriedenstellend bezeichnet hätte. Tatsächlich erklärte er mehr als einmal rundweg, dass dies (und einige andere Punkte in der Quantenphysik) immer noch im Grunde genommen Geheimnisse sind, für die uns wirklich tiefe Einblicke fehlten, warum das Universum, das wir kennen, so funktioniert.
Und deshalb, Sir, ist Ihre Frage "Was berührt?" berührt tiefgreifendere Geheimnisse der Physik tiefer, als Sie vielleicht bemerkt haben. Es ist eine gute Frage.
2012-07-01 Nachtrag
Hier ist eine verwandte Antwort, die ich für S.E. Chemie. Es berührt viele der gleichen Themen, wobei jedoch stärker betont wird, warum die "Spinpaarung" von Elektronen es Atomen ermöglicht, Elektronen zu teilen und voneinander zu stehlen - das heißt, sie können Bindungen bilden. Es ist keine klassische Lehrbucherklärung für das Binden, und ich verwende viele informelle englische Wörter, die mathematisch nicht korrekt sind. Die physikalischen Konzepte sind jedoch genau. Ich hoffe, dass es ein besseres intuitives Gefühl für das bemerkenswerte Geheimnis 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.