在电影中，人们可以像幽灵一样穿墙而过，比如《复仇者联盟》中的幻视或者哈利·波特穿过9¾站台。这看起来毫不费力。但在现实世界中，尝试这种技巧只会让你碰得鼻青脸肿，并产生许多疑问。例如，其中一个问题可能是：为什么我们不能穿墙而过？构成物质基本单元的原子，其内部大部分是空的空间。微小的原子核——比整个原子小约10万倍——位于中心，而电子在远处轨道上运行。那么，为什么固体摸起来如此……坚固？

专家告诉Live Science，有两个物理概念使得穿过固体材料成为不可能：静电斥力（electrostatic repulsion）和泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）。

（背景延伸：静电斥力是电荷之间相互作用的一种表现，同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。原子由带正电的原子核和带负电的电子组成，电子云之间的相互作用产生斥力。）

经典物理学认为，原子有一个由质子和中子组成的原子核，电子围绕它运动。质子的正电荷和电子的负电荷相互吸引，使原子结合在一起。但在量子力学中，电子不是在一个整洁的圆圈中运动。相反，它形成了一种云——一个模糊的区域，它可能在那里。威斯康星大学麦迪逊分校物理学博士生拉希姆·哈什马尼（Raheem Hashmani）告诉Live Science，这被称为“概率云（probability cloud）”。这个云不会移动。它只是静静地待在那里，显示电子最有可能出现的位置。云使原子的外围带负电。“如果我试图穿过一堵墙，我身体里的原子会看到墙里的原子，它们会相互排斥，”马里兰大学的物理学家史蒂文·罗尔斯顿（Steven Rolston）告诉Live Science。

（背景延伸：概率云是量子力学中描述微观粒子状态的一种方式，它表示粒子在空间中各个位置出现的概率密度。概率云的形状和大小取决于粒子的能量和所处的势场。）

这被称为电磁斥力——就像你试图将两个磁铁的同极推到一起时一样。当穿过一堵墙时，电子通过电磁波相互作用。这些波是阻止原子重叠以及固体保持固体状态和感觉的原因的一部分。

但是，如果原子被推得更近呢？

这就是泡利不相容原理发挥作用的地方。它指出，某些被称为费米子（fermions）的粒子不能共享相同的能量状态或同时位于同一位置。电子是费米子，所以在这种情况下，这两个术语可以互换。“当这些电子云开始靠近时，它们会重叠，这意味着两个电子可能共享相同的物理空间，”哈什马尼解释说。“根据泡利不相容原理，这是不允许的。”

（背景延伸：泡利不相容原理是量子力学中的一个基本原理，它指出两个或多个相同的费米子不能同时占据相同的量子态。该原理对原子结构、化学键以及凝聚态物质的性质具有重要影响。该原理由沃尔夫冈·泡利于1925年提出。）

原子中心有一个原子核，周围环绕着电子的“概率云”。（图片来源：KTSDesign/SCIENCEPHOTOLIBRARY via Getty Images）

泡利不相容原理和电磁斥力这两个概念阻止了原子占据相同的空间。没有它们，我们所知的固体物质就不会保持其形状。在液体和气体中，原子有更多的移动自由，但同样的规则仍然适用。它们只是阻止原子重叠，而不是阻止它们移动。

然而，即使物体几乎不可能相互穿过，量子力学总是提供一个有趣的答案：从技术上讲，存在一种极小的可能性，它可能会发生。

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像电子这样的粒子不像微小的固体球一样运动。相反，它们也像波一样运动，这些波有时会延伸超过物理屏障。

（背景延伸：波粒二象性是量子力学中的一个核心概念，它描述了微观粒子同时具有波动性和粒子性的现象。电子、光子等微观粒子在特定条件下会表现出波动性，例如衍射和干涉，而在另一些条件下则表现出粒子性，例如光电效应和康普顿散射。）

假设代表一个粒子的波撞击一堵墙——一个它没有足够能量穿过的屏障。在经典力学中，它只会反弹。但在量子力学中，波不会突然停止，哈什马尼说。相反，当它进入屏障时，它开始呈指数衰减。如果墙足够薄，那个波可能仍然在另一侧有很小的存在。并且由于该波代表粒子可能存在的位置的概率，因此粒子很小可能会出现在另一侧。这被称为量子隧穿（quantum tunneling）。

（背景延伸：量子隧穿效应是指粒子可以穿过能量高于自身势垒的现象，这在经典力学中是不可能发生的。量子隧穿效应在核物理、半导体器件等领域有广泛应用。）

尽管如此，整个人穿过一堵墙的概率“大约是10的10的30次方分之一”，哈什马尼说。“如果你把它放在计算器里，它实际上会给你零。地球上没有计算器会给你一个不是零的数字。这就是概率小到无穷小的程度。”

罗尔斯顿对此表示赞同。“它几乎接近于零，但它不是零，”他说。“它太小了，我确信它不会在宇宙的年龄中发生。”

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