Je to, že se dotýkáme okolních předmětů, jen zdání?

Co to je za šílenost, řeknete si. Přece, když se dotýkáme třeba boty, dostane se vaše ruka do takové polohy, že mezi ní a botou není na určitých místech žádný prostor. To je dotek. Jenže na atomové úrovni je to trochu problém.

Jako dítěti mi bylo jasné, že kontakt, dotyk, je taková pozice dvou hmotných těles, že mezi nimi už není žádný prázdný prostor. A řekl bych, že většina lidí si v běžném životě takto kontakt taky představuje. Ovšem když jsem kdysi v mládí začal chodit na přednášky o kvantové chemii, utrpěl jsem lehký šok. Bylo mi vysvětleno, že atomy, ze kterých se skládá jak moje ruka, tak pevné předměty, které do té ruky uchopím, nejsou něco jako pevné kuličky, které se drží háčky u sebe, jak si to kdysi představoval třeba Démokritos.

Atomy se skládají z atomových jader a "obíhajících" elektronů. Když si elektrony představíme jako obíhající kuličky, jak si je v roce 1913 představoval jeden ze zakladatelů kvantové mechaniky Niels Bohr, budeme mít jeden problém. Když bychom modelově určili velikost jádra atomu asi v rozměrech pomeranče, bude nejbližší elektron vzdálený několik kilometrů od jádra. Elektrony krouží kolem kladně nabitého jádro atomu, skládajícího se z protonů a neutronů. Mezi nimi elektronu a jádrem je obrovské prázdno, o kontaktu jádra s elektrony nemůže být řeč. Kdybychom elektrony vmáčkli do atomového jádra, dosáhli tedy u normální hmoty hustoty jádra, třeba tímto způsobem vlastně stlačili největší budovu na světě do hustoty neutronové hvězdy, dostali bychom jen velmi malou kuličku. Vypadá to, že jsou atomy spíše prázdno než kompaktní hmota.

A to jsme se ještě ani nedostali k dotyku atomů mezi sebou, které jsou pro makroskopický dotyk nejpodstatnější. Když se totiž jeden atom těsně přiblíží k druhému, třeba atom naší ruky k atomu naší boty, začnou se záporně nabité elektrony těchto atomů elektricky odpuzovat. Nedojde tedy k jejich přímému kontaktu, ale elektrony si začnou vyměňovat (virtuální) fotony, které odpudivou sílu zprostředkovávají. V tomto přes 100 let starém pojetí je tedy dotyk, zdá se, pouhá zdání.

Ale já bych to iluzí nenazýval. Někteří lidé dnes přehání a za účelem mediální přitažlivosti volí přehnané termíny (asi to sám dělám v nadpisech, ale pak snažím se v textu hned vysvětlit, jak je to doopravdy). On "kontakt" automobilu ve 200 kilometrové rychlosti s betonovou zdí na iluzi opravdu moc nevypadá. :-) Pod iluzí si opravdu představujeme něco hodně jiného. Přiměřeněji lze tedy vyjádřit, že fyzický dotek je jev, jehož podstatu, mechanismus, jsme právě (zjednodušeně) popsali.

Pojďme trochu dál a popišme si, jak dotyk chápe pokročilejší verze chápání světa než Bohrův planetární model atomu z roku 1913, který je na obrázku výše. Klasický Kodaňský výklad kvantové mechaniky předpokládá, že elektron, dokud není pozorován, nemá přesnou polohu, ale existuje všude v jakémsi mračnu kolem atomového jádra. Současně zaujímá všechny možné pozice popsané jeho tzv. vlnovou funkcí, která udává pravděpodobnost výskytu elektronu na různých místech. Na obrázku níže je zpodobněno, jak může vypadat orbit elektronu atomu vodíku, tedy oblast s největší pravděpodobností jeho výskytu.

Tyto znázorněné oblasti jsou ale jen oblasti s největší pravděpodobností výskytu elektronu. Vlnová funkce elektronu, jejíž tvary obrázek znázorňuje, ale jde až do nekonečna. Ve velké vzdálenosti od jádra atomu má sice tato funkce minimální hodnoty, stále však nenulové. Elektron jako by vlastně byl současně všude v celém vesmíru. Pak se tedy vlnové funkce elektronů ruky a vlnové funkce elektronů předmětu, kterého se právě dotýkáme, prolínají, což je určitě dost jiného, než jsme si představovali pod pojmem jednoznačného kontaktu.

Jdeme-li do atomu hlouběji, zjistíme, že když je těch elektronů v atomů více, kvantově se odpuzují, neboť jsou to fermiony, tedy částice s poločíselným spinem, pro které platí Pauliho vylučovací princip. Tímto odpuzováním se vyšší elektronové orbity "vzdalují více od jádra", přesněji jsou větší. A ten největší, vnější elektronový orbit pak způsobuje chemické vlastnosti daného atomu, a také se nejvíce podílí na "kontaktu" dvou atomů. Ale i nižší orbity se podílejí na pevnosti atomu, neboť "drží", "podpírají" ty vyšší, nebo alespoň vytlačují elektrony do těch vyšších. "Kontakt" dvou vedlejších orbitů je poněkud problém. Jejich vlnové funkce se totiž také pochopitelně prolínají. A je těžké si z volných funkcí, které se prolínají nějak přirozeně představit, jak a hlavně kde se odpuzují, a to jak v případě orbitů v jednom atomu, tak v případě orbitů vedlejších atomů, které jsou v kontaktu. Takže opět tu není žádné lícování dvou objektů s přesnými hranicemi.

Asi si můžeme interakce elektronových orbitalů atomů představit třeba jako kontakt s něčím měkkým s neurčitými hranicemi v našem přirozeném světě, třeba plyšákem nebo se známou gumovou antistresovou střapatou koulí,  viz obrázky. Než je uchopíme do ruky, těžko přesně odhadneme hranici, kde se naše ruka zastaví. Navíc tuto hranici můžeme zvětšující se silou stisku posouvat. Jsou to totiž měkké poddajné předměty. Ideálně bychom si atom asi představili nějakou gelovou kouli, která by od středu měl stále klesající hustotu a hranice nezřetelné. Čím hlouběji bychom se do ní bořili, tím větší odpor by kladla, kvůli hustotě stoupající směrem ke středu.

Tedy ať už uvažujeme o atomech a jejich elektronech kvantově neurčitě nebo klasicky jako o planetárním modelu atomu z roku 1913, prostě tu není žádný klasicky pevný kontakt, na který je naše intuice zvyklá. Nicméně jsme si popsali mechanismus, který pro nás tento jev dotyku vytváří.