當(dāng)您將兩根右手伸直時(shí)，您會覺得到它們互相“接觸”。并且你的原子真的接觸了嗎？若果是，是怎么接觸的？
（圖片來源：/Adob?eStock）
其實(shí)你自己是由原子組成的，但你所體驗(yàn)到的“觸摸”并不一定須要另一個外部原子與你體內(nèi)的原子實(shí)際重疊接觸。僅僅靠得足夠近以施加力除了足夠，并且是最常見的情況。
關(guān)鍵要點(diǎn)
關(guān)于存在的最違背直覺的事情之一是力的概念。為了體驗(yàn)一種力量兩個物體甚至不一定須要互相接觸或接觸。月球表面的物感受感遭到月球的引力，但客機(jī)、衛(wèi)星甚至地球也是這么。帶電物感受吸引和敵視其他電荷，無論它們彼此相距多遠(yuǎn)。并且，以一種更熟悉的形式，兩塊吸鐵石翻轉(zhuǎn)，使它們的南極互相面對，互相抵觸，這些抵觸力這么之大，以至于雖然是最強(qiáng)悍的人類也難以將它們完全結(jié)合在一起。
這么，當(dāng)您嘗試將手指和手指置于一起時(shí)會發(fā)生哪些？她們實(shí)際上有多接近，她們真的“接觸”過彼此嗎？
其實(shí)，在我們所見到的（不到一毫米）和原子的大小（大概十億分之一米）之間有很大的范圍。讓我們瞧瞧在那些微小的尺度上發(fā)生了哪些。
（圖片來源：Yzmo和Mpfiz/）
雖然按容積估算，原子大部份是真空空間，主要由電子云組成，但致密的原子核僅占原子容積的10^15分之一，卻包含原子質(zhì)量的約99.95%。與僅限于原子電子的躍遷相比，原子核內(nèi)部成份之間的反應(yīng)可以更精確，發(fā)生時(shí)間更短原子物理發(fā)展史，能量也不同。
雖然我們將縮小到特別小的尺度來全面解決這個問題，但重要的是要認(rèn)識到“小”并不一定像您可能直覺的那樣意味著“量子”。是的，量子效應(yīng)一般在孤立的、單一或少數(shù)粒子系統(tǒng)中出現(xiàn)，假如有許多粒子頻繁互相作用，量子效應(yīng)常常會消失，這是（大多數(shù)）宏觀現(xiàn)象的標(biāo)志。但是，雖然量子效應(yīng)一般出現(xiàn)在原子尺度或更小的尺度上，但更精典的效應(yīng)——包括引力和電磁效應(yīng)——永遠(yuǎn)不能被忽略，但是常常甚至超過固有的量子效應(yīng)，雖然是在所有最小尺度上。
因而，第一步是要認(rèn)識到你的身體是由原子構(gòu)成的，盡管你手臂中的原子結(jié)合在一起產(chǎn)生分子，這種分子構(gòu)成了構(gòu)成細(xì)胞的細(xì)胞器，但它基本上一直全是原子：電子圍繞原子核運(yùn)行。雖然從宏觀世界（右手）到原子和構(gòu)成原子的亞原子粒子還有很長的路要走，但這才是物質(zhì)結(jié)構(gòu)真正的樣子。
（圖片來源：/CERN/團(tuán)隊(duì)）
從宏觀尺度到亞原子尺度的旅程跨越了多個數(shù)目級，但小步往下走可以使每一個新的尺度都更容易從前一個尺度步入。人類是由臟器、細(xì)胞、細(xì)胞器、分子、原子構(gòu)成的，之后是電子和原子核，之后是質(zhì)子和中子，之后是它們內(nèi)部的夸克和膠子。這是我們探求自然的極限。
結(jié)合在一起的原子產(chǎn)生分子，之后產(chǎn)生更大的結(jié)構(gòu)對它們的電子聯(lián)通形式有限制。雖然在多個原子之間共享時(shí)，電子也會在云狀殼中運(yùn)行，但是隨著時(shí)間的推移會出現(xiàn)模糊分布，這取決于它們搶占的特定基態(tài)（和分子/原子軌道）。無論您是在觀察單個原子還是由原子構(gòu)成的更大結(jié)構(gòu)，這都是基本圖景：帶負(fù)電的電子云圍繞著單個或一系列多個帶正電的原子核/原子核運(yùn)行。
這么，當(dāng)你讓兩個原子彼此緊靠時(shí)會發(fā)生哪些，如同你想像的那樣，當(dāng)你將手指和手指彼此緊靠時(shí)會發(fā)生哪些，但又不會緊靠到讓它們接觸？
這是一個有趣的問題，大多數(shù)數(shù)學(xué)專業(yè)的中學(xué)生在研究生院學(xué)習(xí)怎么解決，假如我們正確地進(jìn)行估算，我們就會得到相同的答案：圍繞原子核運(yùn)行的電子云的形狀會隨著原子核的存在而變化其他附近的原子。雖然原子（和分子）本身是中性實(shí)體，但它們是由帶負(fù)電和帶正電的成份組成的這一事實(shí)使它們才能做一些非常重要的事情：極化。
（圖片來源：/）
當(dāng)將外部電場施加到中性原子時(shí)，它會造成原子極化，整體表現(xiàn)為偶極子：左側(cè)帶更多正電原子物理發(fā)展史，另左側(cè)帶更多負(fù)電。原子也偏離球狀，如頂部所示。
極化是一種精典的電磁現(xiàn)象，只要正電荷和負(fù)電荷一起存在，但是這種電荷才能到處聯(lián)通并相對于彼此重新分布，這取決于作用在它們上的外力。事實(shí)證明，盡管附近有正電荷或負(fù)電荷是一種很容易想像的“外力”，但實(shí)際上，只需將兩個不帶電但可極化的物體互相緊靠，除了會造成兩個物體極化，并且會產(chǎn)生一個網(wǎng)路二者之間形成的力量。
比如，讓我們考慮兩個彼此緊靠的簡單原子。每一個都有一個帶正電的原子核和周圍彌散的負(fù)電荷云。假如你把一個帶到另一個附近，它們最初會保持球狀：沒有凈吸引力或抵觸力。但是，將它們靠得越近，電子云的形狀都會越扭曲，因而產(chǎn)生一個微小的偶極子：其中一個帶正電的原子核相對于帶負(fù)電的球狀分布的負(fù)電荷略微偏離中心。
（圖片來源：/）
在這張圖中，兩個原子靠得很近，但是(i)它們最初是非極化的。假如其中一個原子(ii)發(fā)生極化，相鄰原子將遭到來自附近原子(iii)的正負(fù)份量的靜電力，致使它也發(fā)生極化，因而形成吸引性的范德華力。
一旦你讓一個原子表現(xiàn)為電偶極子——被極化——它還會開始形成自己的電場，它會極化它附近的任何原子。假如“正”端離另一個原子更近，這么它會將“正”原子核推得更遠(yuǎn)，并將“負(fù)”電子云拉近它，因而在兩個原子之間形成吸引力。這些可以在短距離內(nèi)感遭到的吸引力被稱為范德瓦爾斯力，它解釋了為何當(dāng)你在衣服上磨擦一個膨脹的汽球（并將一些電子轉(zhuǎn)移到它里面）時(shí)，你可以“粘住”氣球到你磨擦它的墻壁：由于帶電的汽球使墻壁的原子極化。
但這就是兩個自由的、未結(jié)合的原子的故事。假如原子在原子網(wǎng)路中結(jié)合在一起——即在分子或更大的結(jié)構(gòu)中——電子不能完全自由聯(lián)通，但對它們能/不能去的地方有一些限制，會如何？當(dāng)一個人緊靠另一個人時(shí)，如今會發(fā)生以下情況：
（圖片來源：/；由E.嚴(yán)重更改）
當(dāng)兩個原子是一個更大結(jié)構(gòu)的一部分時(shí)，每位原子都緊密結(jié)合在一起，最內(nèi)層原子中的電子和原子核不一定像它們沒有結(jié)合在一起時(shí)那樣自由極化。在這些情況下，會形成靜電敵視力，但是隨著原子之間的距離越來越近，靜電敵視力會顯得越來越強(qiáng)。
這顯然違背直覺，但當(dāng)你將食指和拇指靠在一起，之后讓它們接觸，之后用越來越大的力將它們推在一起時(shí)，這正是原子/分子水平上發(fā)生的事情。但是，這兒有一個十分重要的警告：這僅在“觸摸”范圍內(nèi)有效，由于手指中的原子互相結(jié)合的硬度和安全性要比右手中的原子“觸摸”到的原子強(qiáng)得多.同樣，你指頭中的原子在分子、細(xì)胞膜等中互相結(jié)合，比你的手指“觸摸”它們更緊密。
這就是為何當(dāng)你將兩個典型的物體接觸在一起時(shí)，它們依然是兩個獨(dú)立的物體，而不是融合或合并在一起的主要誘因。像你的手臂這樣的固體物體具有很強(qiáng)的原子鍵——共價(jià)分子鍵，電子在原子之間共享——很容易保持完整而且很難被破壞。當(dāng)你將兩個獨(dú)立的物體推到一起時(shí)，每位物體更有可能掛在自己的電子上，而不是在它們之間交換電子，或則從右側(cè)到另兩側(cè)產(chǎn)生新的共價(jià)鍵。
（圖片來源：公共領(lǐng)域/S.Baird）
雖然兩個原子的電子波函數(shù)很容易重疊并結(jié)合在一起，但這一般只適用于自由原子。當(dāng)每位原子作為更大結(jié)構(gòu)的一部份結(jié)合在一起時(shí)，分子間斥力一般可以使原子保持相當(dāng)大的距離，除非在特別特殊的情況下，否則難以產(chǎn)生強(qiáng)鍵。
然而，也有例外。假如你到外邊嚴(yán)寒、低于冰點(diǎn)的氣溫下舔中指，之后用右手接觸冰涼的金屬表面（不要用嘴巴舔表面！），水都會結(jié)冰，結(jié)冰的水會粘在金屬表面上金屬和手臂中的水份子。一旦你開始產(chǎn)生這種牢靠的聯(lián)系，包括：
不再確定單個對象將保持其完整性。
這其實(shí)是一個極端的事例，簡單地用手指和手指接觸是不可能發(fā)生的，而且假如你以前做過大量的體育活動，而你的腳被膠布綁住或楔入一個特別緊的衣服——就像芭蕾舞藝人——你可能對這些現(xiàn)象很熟悉。在這些情況下，您的單個手指最終會以各類苦悶的形式捆綁在一起，這就是為何許多舞者開始使用手指墊圈的緣由：以對抗那些機(jī)械撓度可能導(dǎo)致的腳部畸形。
（圖片來源：Sarah；/）
雖然芭蕾舞藝人以甜美、優(yōu)雅和毫不費(fèi)勁而聞名，但現(xiàn)實(shí)情況是，芭蕾舞藝人的手指和腳趾時(shí)常遭到嚴(yán)重外傷，往往使舞者終生重傷甚至畸形。
值得萬幸的是，大多數(shù)人在做一些平凡的事情時(shí)毋須害怕，例如將食指和中指放到一起。即使您可能還能在視覺上感知到小至非常之一毫米（0.0001米）的分離距離，但距離典型原子的電子云的大小還有很長的路要走，其時(shí)鐘頻度為?ngstr?m，或一十億分之一米（0.米）。
假如你想曉得你必須讓兩個原子緊靠多遠(yuǎn)能夠使一個原子開始極化，或則以任何方式對另一個原子的存在作出“反應(yīng)”，我們可以恐怕大概是一億分之一米：0.米,或~10納米：相當(dāng)大分子的尺度。在這個尺度上，可以產(chǎn)生構(gòu)象，這意味著在分子內(nèi)朝一個方向或另一個方向極化的原子可以施加你很可能用你的身體“感覺”到的力。
但是，當(dāng)你越來越使勁地將手臂伸直時(shí)，食指和拇指中的原子實(shí)際上并沒有比這更緊靠。