最終更新日：2026年1月9日

なぜ物質は物質をすり抜けないのか？

空虚のパラドックス：ほとんど空っぽなのに固い世界

人間を構成する原子内の空虚な空間をすべて取り除くことができれば、その体積はほこりの粒ほどに縮小します。しかし、私たちの日常経験は逆の現実に直面しています：物質は固く、透過不可能です。私たちは地面をすり抜けず、手はテーブルの表面でぴたりと止まります。この見かけの堅固さは、物理学において最も基本的で直感に反する現象の一つであり、量子力学と電磁気学の法則から生じています。

その答えは、3つの重要な原理にあります：電子間の排他性、粒子の波動性、そして電磁気的反発力です。原子はコンパクトな小さなボールではなく、拡散した構造をしており、粒子は決して一つの場所に正確に存在することはありません。粒子はむしろ、存在確率の領域を形成し、エネルギーレベルや物理的な場によって相互作用が支配されています。

N.B. :
原子スケールでは、物質は99.999％以上が空虚です。原子核の半径は約\(10^{-15}\) mであり、原子自体の大きさは約\(10^{-10}\) mです。

パウリの排他原理：自然が量子的距離を課すとき

物質の堅固さの最初で最も深い理由は、物理学者ヴォルフガング・パウリ（1900-1958）によって1925年に定式化されました。 パウリの排他原理は、2つの同一のフェルミオン（電子など）が同じ量子状態に存在することはできないと定めています。

原子内では、電子は定義されたエネルギーの殻（軌道）に組織化されています。各軌道は、スピンが反対の電子を限られた数だけ収容できます。 2つの原子が近づくと、電子雲が重なり始め、電子の存在確率領域は非接触の量子的障壁を形成します。

2つの原子が近づくと、価電子は他の原子の量子状態に既に関連付けられた空間領域を占め始めます。パウリの排他原理は、これらの同一の電子が同じ量子状態を共有することを禁止します。この禁止された重なりを避けるため、システムはエネルギーを増加させなければならず、これは非常に短い距離での非常に強い反発力として現れます。

しかし、この反発力は常に優勢ではありません。 やや大きな距離では、核と電子の間の静電気的引力がこの反発力とバランスを取り、安定した平衡距離を作り出します。この量子的な引力と反発力の微妙なバランスが、物質を一貫性と堅固さを保ち、重力崩壊を防いでいます。

N.B. :
「非常に短い距離」とは、電子雲が強く重なり始める原子間距離を指し、通常は0.1から0.2ナノメートル未満です。パウリの排他原理によって課せられる量子的運動エネルギーが急激に増加し、極めて急峻な反発力を生み出します。「やや大きな距離」とは、約0.2から0.3ナノメートルの距離を指し、核と電子の間の電磁気的引力が優勢になり、物質の凝集力と堅固さを保証する安定した平衡距離を作り出します。

電磁気力：負電荷間の反発

排他原理がなくても、大きな障壁が残ります。電子はすべて負の電荷を帯びています。 18世紀に確立されたクーロンの法則は、同じ符号の電荷は互いに反発し、その力は距離の二乗に反比例することを定めています \( F = k \frac{q_1 q_2}{r^2} \)。

2つの原子が近づくと、負に帯電した電子雲が最初に相互作用します。これらの雲の間のクーロン反発は、距離が減少するにつれて急速に巨大になり、正の核の侵入を防ぎます。したがって、原子がほとんど空虚であっても、この「空虚」は非常に効果的な反発電場によって守られています。ダイヤモンドのような物質の硬さは、化学結合の強さとこの電子的反発の強度に直接関連しています。

N.B. :
一般的なアナロジーは、物質を高速で回転する2つの扇風機に例えることです。羽根の間の空間は空っぽですが、回転する羽根を通して物体を通すことはできません。マクロスケールでは、自由な通路を見つける確率は事実上ゼロです。同様に、原子は本質的に空っぽですが、電子は決して静止していません。電子の量子雲は拡散し、変動し、絶えず更新されています。私たちのスケールでは、この絶え間ない活動が安定した反発障壁を生み出し、物質的な物体が互いにすり抜けるのを防ぎます。

波動と粒子の二重性と「縮退圧力」

量子力学は、電子のような粒子が波動性も持つことを教えてくれます。電子に関連する波長（ド・ブロイ波長）は、その運動量に依存します。電子が小さな体積に閉じ込められると（物質を圧縮しようとするときのように）、有効な波長が減少し、運動エネルギーが増加します。この閉じ込めによるエネルギーの増加は圧力として現れ、電子の縮退圧力と呼ばれます。

この圧力が、太陽のような星の残骸である白色矮星が自らの重力で崩壊するのを防いでいます。私たちのスケールでは、これは物質の圧縮に抵抗する追加的な要素であり、物質の剛性に寄与しています。 2つの物体が互いにすり抜けるためには、排他原理を破るか、電子を縮退圧力を克服するほど圧縮する必要がありますが、これは地球上の通常の条件では全く達成不可能な密度とエネルギーを必要とします。