物体は原子の集まりなのにすり抜けられない理由｜原子同士の隙間と量子力学の関係を解説

人間を含め、身の回りにあるすべての物質は原子からできています。そのため「原子と原子の間には隙間があるなら、うまく避ければ物体同士はすり抜けられるのではないか」と疑問に感じることがあります。

しかし、実際には物体同士がすり抜けることはできません。そこには単純な原子の大きさや隙間だけでは説明できない、電気的な力や量子力学による仕組みがあります。この記事では、なぜ原子からできている物体が互いを通り抜けられないのかをわかりやすく解説します。

原子には本当に隙間があるのか

原子は中心にある原子核と、その周囲に存在する電子から構成されています。学校では原子を小さな粒のように説明することがありますが、実際の原子内部はほとんどが空間です。

例えば原子核をビー玉ほどの大きさに拡大すると、電子が存在する範囲は数百メートル以上離れた場所に相当します。このイメージだけを見ると、確かに物質はスカスカで、すり抜けられそうに感じます。

しかし、この「空間がある」という考え方だけでは、物質同士がぶつかる理由を説明できません。原子は単なる小さな球ではないからです。

物体同士が近づくと、表面にある原子の電子同士が強く影響し合います。電子はマイナスの電荷を持っているため、近づきすぎると電気的な反発力が働きます。

例えば机に手を置いたとき、実際には手の原子と机の原子が完全に接触しているわけではありません。非常に近い距離まで近づいたところで、電子同士の反発によってそれ以上近づけなくなっています。

つまり、私たちが感じる「触れる」という感覚は、原子そのものが直接ぶつかっているのではなく、電子による反発力を感じている状態なのです。

さらに重要なのが、量子力学における「パウリの排他原理」です。これは、同じ状態にある複数の電子が同じ場所に存在できないという性質です。

物質を構成する原子の電子は、この原理によって決められた配置を取っています。そのため、別の物体の原子が無理に入り込もうとしても、電子の状態が重なり合うことができず、大きな抵抗が生じます。

この効果によって、原子の間に空間が存在していても、私たちの体や物体は簡単には通り抜けられません。

理論上、もし原子や分子を完全に制御し、すべての粒子の位置や状態を調整できれば、物質同士を極めて近づけることは考えられます。しかし、現実の物体では原子の数が膨大すぎるため、そのような制御は不可能です。

例えば人間の体には、およそ数十兆個以上の細胞があり、それぞれが膨大な数の原子からできています。すべての原子を正確に並べ替えて別の物体を通過させることは、現在の科学技術では実現できません。

また、仮に原子レベルで操作できたとしても、電子や原子核の相互作用によるエネルギー障壁を乗り越える必要があります。

量子力学には「量子トンネル効果」という現象があります。これは、本来なら越えられないエネルギーの壁を粒子が一定確率で通り抜ける現象です。

例えば電子のような非常に小さな粒子では、この現象が実際に観測されています。しかし、人間のような大きな物体全体が壁をすり抜けることは、理論上の確率が極めて小さく、現実には起こりません。

物体を構成するすべての原子が同時に量子トンネル効果を起こす必要があるため、その確率は事実上ゼロと考えられます。

原子レベルでは、物質は確かに空間の多い構造になっています。しかし、日常生活で感じる固さや形は、原子同士の電磁気的な相互作用によって作られています。

例えば鉄の棒が硬いのは、鉄原子がぎっしり詰まっているからではありません。原子同士が電子の働きによって一定の位置関係を保ち、外からの力に抵抗しているためです。

同じように、水や空気も原子や分子の集まりですが、温度や圧力によって状態が変化し、それぞれ異なる性質を示します。

人間や物体が原子の集まりであることは正しいですが、「原子の間に隙間があるからすり抜けられる」という考え方は不十分です。

物体同士が通り抜けられない主な理由は、電子同士の反発や量子力学的な制約によるものです。原子は小さな粒が並んでいるだけではなく、電気的な力によって安定した構造を作っています。

そのため、理論上は原子レベルで特殊な操作を考えることはできますが、現実の人間や物体が壁や別の物体をすり抜けることはできません。原子の世界には隙間があっても、そこには物質を形作る見えない力が働いているのです。