你的原子真的会相互“接触”吗？

当您将两根手指并拢时，您会感觉到它们相互“接触”。但是你的原子真的接触了吗？如果是，是如何接触的？

（图片来源： ipopba / Adob e Stock）

虽然你自己是由原子组成的，但你所体验到的“触摸”并不一定需要另一个外部原子与你体内的原子实际重叠接触。仅仅靠得足够近以施加力不仅足够，而且是最常见的情况。

关键要点

• 触觉可以让你体验其他物体的实际情况，就像你的原子从这种体验中体验感觉一样。
• 但是当你将物体彼此靠近时，甚至当你感觉到它们接触时，它们显然没有结合在一起，那么你的感觉是什么？
• 与您的预期相反，触觉实际上并不涉及两个相互接触的原子。“触摸”的物理原理比您意识到的要复杂得多。

关于存在的最违反直觉的事情之一是力的概念。为了体验一种力量两个物体甚至不一定需要相互接触或接触。地球表面的物体会感受到地球的引力，但飞机、卫星甚至月球也是如此。带电物体会吸引和排斥其他电荷，无论它们彼此相距多远。而且，以一种更熟悉的方式，两块磁铁翻转，使它们的北极相互面对，相互排斥，这种排斥力如此之大，以至于即使是最强大的人类也无法将它们完全结合在一起。

那么，当您尝试将拇指和食指放在一起时会发生什么？他们实际上有多接近，他们真的“接触”过彼此吗？

显然，在我们所看到的（不到一毫米）和原子的大小（大约十亿分之一米）之间有很大的范围。让我们看看在这些微小的尺度上发生了什么。

（图片来源： Yzmo和 Mpfiz/Wikimedia Commons）

尽管按体积计算，原子大部分是真空空间，主要由电子云组成，但致密的原子核仅占原子体积的 10^15 分之一，却包含原子质量的约 99.95%。与仅限于原子电子的跃迁相比，原子核内部成分之间的反应可以更精确，发生时间更短，能量也不同。

尽管我们将缩小到非常小的尺度来全面解决这个问题，但重要的是要认识到“小”并不一定像您可能直觉的那样意味着“量子”。是的，量子效应通常在孤立的、单一或少数粒子系统中出现，如果有许多粒子频繁相互作用，量子效应往往会消失，这是（大多数）宏观现象的标志。然而，虽然量子效应通常出现在原子尺度或更小的尺度上，但更经典的效应——包括引力和电磁效应——永远不能被忽视，并且经常甚至超过固有的量子效应，即使是在所有最小尺度上。

因此，第一步是要认识到你的身体是由原子构成的，虽然你手指中的原子结合在一起形成分子，这些分子构成了构成细胞的细胞器，但它基本上仍然全是原子：电子围绕原子核运行。尽管从宏观世界（手指）到原子和构成原子的亚原子粒子还有很长的路要走，但这才是物质结构真正的样子。

（图片来源：Magdalena Kowalska/CERN/ISOLDE 团队）

从宏观尺度到亚原子尺度的旅程跨越了多个数量级，但小步往下走可以使每一个新的尺度都更容易从前一个尺度进入。人类是由器官、细胞、细胞器、分子、原子构成的，然后是电子和原子核，然后是质子和中子，然后是它们内部的夸克和胶子。这是我们探索自然的极限。

结合在一起的原子形成分子，然后形成更大的结构对它们的电子移动方式有限制。即使在多个原子之间共享时，电子也会在云状壳中运行，并且随着时间的推移会出现模糊分布，这取决于它们占据的特定能级（和分子/原子轨道）。无论您是在观察单个原子还是由原子构成的更大结构，这都是基本图景：带负电的电子云围绕着单个或一系列多个带正电的原子核/原子核运行。

那么，当你让两个原子彼此靠近时会发生什么，就像你想象的那样，当你将拇指和食指彼此靠近时会发生什么，但又不会靠近到让它们接触？

这是一个有趣的问题，大多数物理专业的学生在研究生院学习如何解决，如果我们正确地进行计算，我们都会得到相同的答案：围绕原子核运行的电子云的形状会随着原子核的存在而变化其他附近的原子。尽管原子（和分子）本身是中性实体，但它们是由带负电和带正电的成分组成的这一事实使它们能够做一些极其重要的事情：极化。

（图片来源：Christopher Rowley /Wikimedia Commons）

当将外部电场施加到中性原子时，它会导致原子极化，整体表现为偶极子：一侧带更多正电，另一侧带更多负电。原子也偏离球形，如底部所示。

极化是一种经典的电磁现象，只要正电荷和负电荷一起存在，并且这些电荷能够四处移动并相对于彼此重新分布，这取决于作用在它们上的外力。事实证明，虽然附近有正电荷或负电荷是一种很容易想象的“外力”，但实际上，只需将两个不带电但可极化的物体相互靠近，不仅会导致两个物体极化，而且会形成一个网络两者之间产生的力量。

例如，让我们考虑两个彼此靠近的简单原子。每一个都有一个带正电的原子核和周围弥散的负电荷云。如果你把一个带到另一个附近，它们最初会保持球形：没有净吸引力或排斥力。然而，将它们靠得越近，电子云的形状就会越扭曲，从而形成一个微小的偶极子：其中一个带正电的原子核相对于带负电的球形分布的负电荷略微偏离中心。

（图片来源：Christopher Rowley /Wikimedia Commons）

在这张图中，两个原子靠得很近，并且 (i) 它们最初是非极化的。如果其中一个原子 (ii) 发生极化，相邻原子将受到来自附近原子 (iii) 的正负分量的静电力，导致它也发生极化，从而产生吸引性的范德华力。

一旦你让一个原子表现为电偶极子——被极化——它就会开始产生自己的电场，它会极化它附近的任何原子。如果“正”端离另一个原子更近，那么它会将“正”原子核推得更远，并将“负”电子云拉近它，从而在两个原子之间产生吸引力。这种可以在短距离内感受到的吸引力被称为范德瓦尔斯力，它解释了为什么当你在衬衫上摩擦一个膨胀的气球（并将一些电子转移到它上面）时，你可以“粘住”气球到你摩擦它的墙上：因为带电的气球使墙上的原子极化。

但这就是两个自由的、未结合的原子的故事。如果原子在原子网络中结合在一起——即在分子或更大的结构中——电子不能完全自由移动，但对它们能/不能去的地方有一些限制，会怎样？当一个人靠近另一个人时，现在会发生以下情况：

• 电子“云”重叠的带负电的电子相互推开，形成一个椭圆形分布，在“彼此远离”的一侧凸出。
• 由于电子云极化，带正电的原子核现在彼此相对“更近”，因此也相互推开。
• 你越靠近它们，你就越能增加这种效果，导致排斥力进一步增加。

（图片来源：Christopher Rowley /Wikimedia Commons；由 E. Siegel 严重修改）

当两个原子是一个更大结构的一部分时，每个原子都紧密结合在一起，最外层原子中的电子和原子核不一定像它们没有结合在一起时那样自由极化。在这种情况下，会产生静电排斥力，并且随着原子之间的距离越来越近，静电排斥力会变得越来越强。

这似乎违反直觉，但当你将拇指和食指靠在一起，然后让它们接触，然后用越来越大的力将它们推在一起时，这正是原子/分子水平上发生的事情。然而，这里有一个非常重要的警告：这仅在“触摸”范围内有效，因为拇指中的原子相互结合的强度和安全性要比食指中的原子“触摸”到的原子强得多. 同样，你食指中的原子在分子、细胞膜等中相互结合，比你的拇指“触摸”它们更紧密。

这就是为什么当你将两个典型的物体接触在一起时，它们仍然是两个独立的物体，而不是融合或合并在一起的主要原因。像你的手指这样的固体物体具有很强的原子键——共价分子键，电子在原子之间共享——很容易保持完整并且很难被破坏。当你将两个独立的物体推到一起时，每个物体更有可能挂在自己的电子上，而不是在它们之间交换电子，或者从一侧到另一侧形成新的共价键。

（图片来源：公共领域/Christopher S. Baird）

尽管两个原子的电子波函数很容易重叠并结合在一起，但这通常只适用于自由原子。当每个原子作为更大结构的一部分结合在一起时，分子间作用力通常可以使原子保持相当大的距离，除非在非常特殊的情况下，否则无法形成强键。

但是，也有例外。如果你到外面寒冷、低于冰点的温度下舔手指，然后用手指接触冰冷的金属表面（不要用舌头舔表面！），水就会结冰，结冰的水会粘在金属表面上金属和手指中的水分子。一旦你开始形成这些牢固的联系，包括：

• 离子键，
• 共价键，
• 或者，最强烈的是，形成一个重叠两个物体的晶格结构，

不再确定单个对象将保持其完整性。

这似乎是一个极端的例子，简单地用拇指和食指接触是不可能发生的，但是如果你曾经做过大量的体育活动，而你的脚被胶带绑住或楔入一个非常紧的鞋子——就像芭蕾舞演员——你可能对这种现象很熟悉。在这种情况下，您的单个脚趾最终会以各种痛苦的方式捆绑在一起，这就是为什么许多舞者开始使用脚趾垫片的原因：以对抗这些机械应力可能引起的足部畸形。

（图片来源：Sarah Cervantes； scaitlin82 /unsplash）

尽管芭蕾舞演员以优雅、优雅和毫不费力而著称，但现实情况是，芭蕾舞演员的脚趾和脚部经常遭受严重创伤，常常使舞者终身受伤甚至畸形。

值得庆幸的是，大多数人在做一些平凡的事情时不必担心，比如将拇指和食指放在一起。虽然您可能能够在视觉上感知到小至十分之一毫米（0.0001 米）的分离距离，但距离典型原子的电子云的大小还有很长的路要走，其时钟频率为 ångström，或一十亿分之一米（0.0000000001 米）。

如果你想知道你必须让两个原子靠近多远才能使一个原子开始极化，或者以任何方式对另一个原子的存在做出“反应”，我们可以估计大约是一亿分之一米：0.00000001 米, 或 ~10 纳米：相当大分子的尺度。在这个尺度上，可以形成氢键，这意味着在分子内朝一个方向或另一个方向极化的原子可以施加你很可能用你的身体“感觉”到的力。

然而，当你越来越用力地将手指并拢时，拇指和食指中的原子实际上并没有比这更靠近。

（来源：公共领域/Hippopx ）

当你的两根手指接触时，两根手指中的原子永远不会像组成每根手指的实际原子那样彼此靠近。几乎在所有情况下，一个区域上的压力或力都很小。

相反，你每根手指内的结合结构——你的分子、它们组成的细胞，以及构成每根手指的整个细胞结构都非常牢固地（共价）结合在一起。当你将拇指和食指并拢时，你所做的就是让越来越多的这些表面原子彼此靠近，而这些原子分别与拇指和食指内的其他所有东西相连，相互挤压彼此。

即使你可以在拇指和食指上按压并施加相当大的力——足以使你的皮肤明显地改变颜色——这种力分布在一个重要的区域：你的拇指和食指所在的区域食指互相触摸。作用在面积上的力会产生压力，虽然力很大，但因为面积也大，所以压力相对较小。因此，与拇指和食指中原子之间的键长相比，构成拇指和食指的单个原子永远不会非常接近。

（图片来源： Shutterstock）

尽管在基本层面上，宇宙是由点状量子粒子组成的，但它们聚集在一起形成了有限大小和质量的物体，占据了特定的体积。

这也回答了一个很多人经常想知道的问题：如果我的原子大部分是空的，为什么我的拇指和食指放在一起时永远不会穿过彼此？尽管许多人急于采用量子规则——泡利不相容原理——但实际上并没有必要。原子的完整性，它们在分子中彼此共价（牢固）结合的事实，以及负电子电荷分布在大体积空间的事实足以阻止两个基于原子的结构通过通过彼此。基于电子的化学键，以及电子占据的大空间分布，足以使物质占据空间。

但这就是关键：当我们说彼此“接触”时，我们实际上只是指“某物需要靠多近才能使它的特性成为我的触觉，或者我身体内对此敏感的神经感应，回应吗？” 虽然我们有不同的神经元对温度、压力和疼痛敏感，但它们都是由电子或光子与我们体内的物质相互作用而触发的。在基于压力的触摸的情况下，距离远小于您的眼睛所能看到的距离，但仍远大于原子的大小，这就是激发响应所需的全部！