當您將兩根右手伸直時，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）
其實你自己是由原子組成的，但你所體驗到的“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
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、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。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，以至于雖然是最強悍的人類也難以將它們完全結(jié)合在一起。
這么，當您嘗試將手指和手指置于一起時會發(fā)生哪些？她們實際上有多接近，她們真的“接觸”過彼此嗎？
其實，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)成細胞的細胞器，但它基本上一直全是原子：電子圍繞原子核運行。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/團隊）
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、細胞、細胞器、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，電子也會在云狀殼中運行，但是隨著時間的推移會出現(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/原子核運行。
這么，當你讓兩個原子彼此緊靠時會發(fā)生哪些，如同你想像的那樣，當你將手指和手指彼此緊靠時會發(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，假如我們正確地進行估算，我們就會得到相同的答案：圍繞原子核運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）本身是中性實體，但它們是由帶負電和帶正電的成份組成的這一事實使它們才能做一些非常重要的事情：極化。
（圖片來源：/）
當將外部電場施加到中性原子時，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。事實證明，盡管附近有正電荷或負電荷是一種很容易想像的“外力”，但實際上，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電的球狀分布的負電荷略微偏離中心。
（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，并將“負”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，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？當一個人緊靠另一個人時，如今會發(fā)生以下情況：
（圖片來源：/；由E.嚴重更改）
當兩個原子是一個更大結(jié)構(gòu)的一部分時，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。
這顯然違背直覺，但當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，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”到的原子強得多.同樣，你指頭中的原子在分子、細胞膜等中互相結(jié)合，比你的手指“觸摸”它們更緊密。
這就是為何當你將兩個典型的物體接觸在一起時，它們依然是兩個獨立的物體，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的原子鍵——共價分子鍵，電子在原子之間共享——很容易保持完整而且很難被破壞。當你將兩個獨立的物體推到一起時，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。當每位原子作為更大結(jié)構(gòu)的一部份結(jié)合在一起時，分子間斥力一般可以使原子保持相當大的距離，除非在特別特殊的情況下，否則難以產(chǎn)生強鍵。
然而，也有例外。假如你到外邊嚴寒、低于冰點的氣溫下舔中指，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)雅和毫不費勁而聞名，但現(xiàn)實情況是，芭蕾舞藝人的手指和腳趾時常遭到嚴重外傷，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，當你越來越使勁地將手臂伸直時，食指和拇指中的原子實際上并沒有比這更緊靠。