關於存在，最違反直覺的事情之一是力的概念。為了體驗一種力量——也就是說，感受其他東西對我們的影響——兩個物體甚至不一定需要相互接觸。地球表面的物體能感受到地球的引力，但飛機、衛星甚至月球也是如此。帶電物體吸引並排斥其他電荷，無論它們彼此相距多遠。而且，以一種更熟悉的方式，兩個磁鐵翻轉，使它們的兩極面對面相互排斥，如此強烈，以至於即使是最強壯的人類也無法將它們完全結合在一起。

那麼，當你試圖把拇指和食指放在一起時會發生什麼呢？他們實際上有多接近，他們是否真正“接觸”過彼此？這就是彼得·米德想知道的，他寫信問：

“當我把兩隻手伸到我面前，兩個食指指向對方，然後把它們放在一起時，我手指之間的空間變得越來越小。在它們接觸之前，我可以看到並保持它們不到一毫米的距離。有沒有一瞬間，就在他們接觸之前，我的手指只相隔一個原子（或亞原子）的寬度？還是太空在如此小的範圍內表現得不同？

顯然，在我們能看到的（略低於一毫米）和原子的大小（大約一百億分之一米）之間有很大的範圍。讓我們找出在這些微小尺度上會發生什麼。

雖然，按體積計算，原子主要是空白空間，由電子雲主導，但緻密原子核僅佔原子體積的 1^10 分之一，包含原子質量的 ~15。99%。與僅限於原子電子的躍遷相比，原子核內部元件之間的反應可以更精確，並且在更短的時間尺度上以及不同的能量下發生。

（

圖片來源

：Yzmo and Mpfiz/Wikimedia Commons）

雖然我們將深入到非常小的尺度來全面解決這個問題，但重要的是要認識到“小”並不一定意味著你可能直覺的“量子”。是的，量子效應通常在孤立的、單一或幾個粒子系統中抬頭，如果有許多粒子經常相互作用，量子效應往往會消失，這是（大多數）宏觀現象的標誌。然而，雖然量子效應通常出現在原子尺度或以下，但更經典的效應——包括引力效應和電磁效應——永遠不會被忽視，甚至經常主導固有的量子效應，即使是在最小的尺度上。

因此，第一步是認識到你的身體是由原子組成的，雖然你手指中的原子被結合成構成細胞器的分子，但基本上仍然是所有的原子：圍繞原子核執行的電子。儘管從宏觀世界（手指）到原子和亞原子粒子還有很長的路要走，甚至原子也上升了，但這就是物質結構的真實樣子。

從宏觀尺度到亞原子尺度的旅程跨越了許多數量級，但小步走下去可以使每一個新的都更容易從前一個開始。人類由器官、細胞、細胞器、分子、原子組成，然後是電子和原子核，然後是質子和中子，然後是其中的夸克和膠子。這是我們探索自然的極限。

（

圖片來源

：Magdalena Kowalska/CERN/ISOLDE團隊）

結合在一起的原子 - 形成分子，然後進入更大的結構 - 對它們的電子如何移動有限制。即使在多個原子之間共享時，電子也會在雲狀殼層中執行，並且隨著時間的推移具有模糊的分佈，具體取決於它們佔據的特定能級（和分子/原子軌道）。無論你是在看單個原子還是由原子組成的更大結構，這就是基本情況：有一個帶負電荷的電子雲圍繞單個或一系列多個帶正電荷的原子核/原子核執行。

那麼，當你把兩個原子靠近彼此時會發生什麼，就像你可能想象的那樣，當你把拇指和食指靠近彼此，但又不會靠近到讓它們接觸時會發生什麼？

這是一個有趣的問題，大多數物理專業的學生在研究生院學習如何解決，如果我們正確地進行計算，我們都會得到相同的答案：圍繞原子核執行的電子雲的形狀會隨著附近其他原子的存在而變化。儘管原子（和分子）本身是中性實體，但它們由帶負電荷和正電荷的成分組成的事實使它們能夠做一些非常重要的事情：極化。

當外部電場施加到中性原子上時，它會導致原子極化，整體表現為偶極子：一側帶正電更多，另一側帶負電更多。原子也從球形離開，如底部所示。

（

圖片來源

：克里斯托弗·羅利/維基共享資源）

極化是一種經典的電磁現象，發生在帶正電荷和負電荷並一起帶電的地方，並且這些電荷相對於彼此移動和重新分配的能力取決於作用在它們上的外力。事實證明，雖然附近有正電荷或負電荷是一種容易視覺化的“外力”，但簡單地將兩個不帶電但可極化的物體彼此靠近實際上不僅會導致兩個物體兩極化，而且會導致兩者之間產生淨力。

例如，讓我們考慮兩個彼此靠近的簡單原子。每一個都有一個帶正電荷的原子核和圍繞它的負電荷瀰漫雲。如果你把一個帶到另一個附近，它們最初會保持球形：沒有淨吸引力或排斥力。然而，你把它們靠得越近，電子雲的形狀就會扭曲得越多，形成一個微小的偶極子：其中一個帶正電的原子核相對於負電荷的帶負電荷的球形分佈略微偏離中心。

在這張圖中，兩個原子靠得很近，（i）它們最初是非極化的。如果其中一個原子（ii）極化，相鄰原子將受到來自近原子（iii）的正負分量的靜電力，使其也極化，從而產生吸引力的範德華力。

（

圖片來源

：克里斯托弗·羅利/維基共享資源）

一旦你有一個原子表現為電偶極子 - 被極化 - 然後它開始產生自己的電場，使附近的任何原子極化。如果“正”端離另一個原子更近，那麼它會把“正”原子核推得更遠，並將“負”電子雲拉近它，導致兩個原子之間的吸引力。這種可以在短距離內體驗到的吸引力被稱為

範德華力

，它解釋了為什麼當你在襯衫上摩擦一個吹氣球（並將一些電子轉移到它上面）時，你可以將氣球“粘”到你摩擦它的牆上：因為帶電的氣球使牆上的原子極化。

但這就是兩個自由的、未束縛的原子的故事。如果原子在原子網路中結合在一起 - 即在分子或更大的結構中 - 電子不能完全自由移動，但對它們可以/不能去的地方有一些限制？當一個靠近另一個時，現在會發生什麼：

帶負電荷的電子，其中電子“雲”重疊，相互推開，形成橢圓形分佈，在“彼此遠離”的一側凸起。

帶正電荷的原子核，由於電子雲極化，它們現在彼此相對“更近”，所以它們也彼此推開。

你把它們逼得越近，這種效果就越大，導致排斥力進一步增加。

當兩個原子是較大結構的一部分時，每個原子都緊密結合，最外層原子中的電子和原子核不一定像它們沒有結合在一起那樣自由極化。在這種情況下，會產生排斥靜電力，並且原子彼此越接近越強。

（

學分

：克里斯托弗·羅利/維基共享資源；由E。西格爾嚴重修改）

這似乎違反直覺，但是當你把拇指和食指靠近，然後讓它們接觸，然後用越來越大的力量把它們推在一起時，這正是原子/分子水平上發生的事情。然而，這裡有一個非常重要的警告：這隻對“觸控”有效，因為拇指內的原子彼此結合比它們被食指中的原子“觸控”要強烈和安全得多。類似地，食指中的原子在分子、細胞膜等中相互結合，比它們被拇指“觸控”的原子更強烈。

這就是為什麼當你把兩個典型的物體接觸在一起時，它們仍然是兩個獨立的物體，而不是融合或合併在一起的主要原因。固體物體，如你的手指，具有很強的原子鍵 - 共價分子鍵，其中電子在原子之間共享 - 很容易保持完整並且難以破壞。當你把兩個獨立的物體推在一起時，每個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，或者從一側到另一側形成新的共價鍵。

雖然兩個原子可以很容易地使它們的電子波函式重疊並結合在一起，但這通常只適用於自由原子。當每個原子作為更大結構的一部分結合在一起時，分子間力經常可以使原子保持相當大的距離，從而阻止強鍵的形成，除非在非常特殊的情況下。

（

圖片來源：

公共領域/Christopher S。 Baird）

但是，也有例外。如果你走到外面寒冷的、低於冰點的溫度下，舔你的手指，然後把你的手指碰到一個冰冷的金屬表面（

不要

用舌頭舔表面！），水會結冰，冰凍的水會粘合到金屬和手指上的水分子上。一旦你開始形成這些牢固的紐帶，包括：

離子鍵，

共價鍵，

或者，最強烈地形成一個重疊兩個物體的晶格結構，

不再確定單個物件將保持其完整性。

這似乎是一個極端的例子，簡單地用拇指觸控食指是不可能發生的，但如果你曾經做過大量的體育活動，你的腳被綁起來或楔入一隻非常緊的鞋子裡——比如芭蕾舞演員——你可能真的熟悉這種現象。在這種情況下，您的個人腳趾可能會以各種痛苦的方式結合在一起，這就是為什麼許多舞者開始使用腳趾墊片：以對抗這些機械應力可能引起的足部畸形。

儘管芭蕾舞演員以其優雅、優雅和讓一切看起來毫不費力而聞名，但現實情況是，芭蕾舞演員的腳趾和腳經常遭受嚴重的創傷，經常使舞者終身受傷甚至畸形。

（

學分

：莎拉塞萬提斯；斯凱特林82/未飛濺）

值得慶幸的是，這不是大多數人在做一些平凡的事情時必須擔心的事情，比如將拇指和食指放在一起。雖然你可能能夠在視覺上感知到低至十分之一毫米（0。0001米）的分離距離，但要達到典型原子電子雲的大小還有很長的路要走，它以ngstrm或百億分之一米（0。0000000001米）的速度打卡。

如果你想知道你必須使兩個原子離多近，以便一個原子開始極化，或者以任何方式“響應”另一個原子的存在，我們可以估計大約是一億分之一米：0。00000001米，或~10奈米：一個相當大的分子的規模。在這個尺度上，氫鍵可以形成，這意味著分子內在一個方向或另一個方向上極化的原子可以施加你很可能用身體“感覺到”的力。

然而，當你越來越用力地將手指併攏時，拇指和食指中的原子實際上並沒有比這更近。

當你的兩個手指接觸時，你兩個手指中的原子永遠不會像組成每個手指的實際原子那樣接近彼此。在幾乎所有情況下，一個區域的壓力或力都很小。

（

信用

：公共領域/Hippopx）

相反，你每個手指內的結合結構——你的分子、它們組成的細胞以及構成每個手指的整個細胞結構——非常強烈地（共價）結合在一起。當你把拇指和食指放在一起時，你所做的是讓越來越多的表面原子彼此靠近，這些原子分別連線到你的拇指和食指內的其他東西上，相互擠壓。

即使你可以用拇指和食指互相按壓並施加相當大的力——足以讓你的面板明顯改變顏色——這種力分佈在一個重要的區域：你的拇指和食指相互接觸的區域。作用在一個區域上的力會產生壓力，即使力很大，因為面積也很大，所以壓力相對較小。因此，與拇指和食指內原子之間的鍵長相比，構成拇指的單個原子和構成食指的原子永遠不會非常接近。

儘管在基本層面上，宇宙是由點狀量子粒子組成的，但它們聚集在一起，創造出有限大小和質量的物體，佔據特定的體積。

（

信用

：Shutterstock）

這也回答了一個很多人經常想知道的問題：如果我的

原子大部分是空白的

，為什麼當我把它們放在一起時，我的拇指和食指不會相互穿過？儘管許多人急於制定量子規則——

泡利不相容原理

——但這實際上並沒有必要。原子的完整性，它們在分子中共價（強）鍵合的事實，以及負電子電荷分佈在大量空間上的事實足以防止兩個基於原子的結構相互透過。化學的、基於電子的鍵以及電子佔據的大空間分佈足以使物質佔用空間。

但這是關鍵：當我們說“觸控”彼此時，我們實際上只是意味著“某物需要多近才能讓它的特性成為我的觸覺，或者我體內對這種感覺敏感的神經對它做出反應？雖然我們有不同的神經元對溫度、壓力和疼痛敏感，但它們都是由電子或光子與我們體內物質相互作用觸發的。在基於壓力的觸控的情況下，一個明顯小於你眼睛能看到的距離，但仍然大大大於一個原子的大小，就是激發反應所需要的！