بدن ما در سطوح بسیار کوچک و بنیادین، یک جهان مینیاتوری از ساختارهاست که از ارگان‌های مختلفی تشکیل شده و خود این ارگان‌ها هم از سلول‌ها ساخته شده‌اند. سلول‌ها نیز شامل اجزایی هستند که از مولکول‌ها تشکیل شده‌اند و خود مولکول‌ها زنجیره‌ای از اتم‌های منفردِ متصل به هم هستند. اتم‌ها ابعاد بسیار کوچکی دارند که معادل تنها ۱ آنگستروم (۰.۱ نانومتر) می‌شود، اما آن‌ها خودشان از عناصر حتی کوچکتری تشکیل شده‌اند؛ یعنی پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها.
اندازه پروتون‌ها و نوترون‌ها که هسته اتم‌ها را تشکیل می‌دهند چیزی حدود ۱ فمتومتر است که ۱۰۰ هزار برابر کوچکتر از آنگستروم است. اما اندازه الکترون‌ها کمی متفاوت بوده و بیشتر از یک ده هزارم اندازه پروتون‌ها و نوترون‌ها نیست. حال سوال اینجاست که آیا این ابعاد و اندازه‌ها به معنای آن است که اتم‌ها و هر چیزی که از آن‌ها ساخته شده‌اند، عمدتا فضای خالی هستند؟ جواب این سوال منفی است که در ادامه به آن می‌پردازیم.
ما در زندگی روزمره اگر بخواهیم اندازه چیزی را بدانیم، به‌راحتی آن را اندازه‌گیری می‌کنیم. در دنیای غیر کوانتومی، اندازه‌گیری اشیا مشکلی ندارد و روش‌های مختلفی برای این کار وجود دارند که همگی جواب یکسانی به شما می‌دهند. این روش‌ها شامل استفاده از یک خط‌کش ساده، تصویربرداری با کیفیت بالا و تکنیک‌های مبتنی بر علم فیزیک مانند اندازه‌گیری حرکت براونی یا گرانشی می‌شوند.
اما برای کوچکترین چیزها، مانند یک اتم، این تکنیک‌ها دیگر کارساز نیست. اولین تلاش برای بررسی ساختار داخل اتم‌ها مدت کوتاهی بعد از کشف رادیواکتیویته انجام گرفت که کار بسیار مبتکرانه‌ای بود. ارنست رادرفورد (Ernest Rutherford) با شلیک ذرات ساطع‌شده از مواد رادیواکتیو به یک صفحه نازک از اتم‌ها تلاش کرد تا بداند اتم‌ها چه ساختاری دارند. یافته‌های او همه دنیا را شوکه کرد.
در آزمایش او، ذرات سریع به سمت یک لایه بسیار باریک از فویل شلیک شدند. این فویل بقدری نازک بود که در صورت لمس آن با دست کاملا فرو می‌پاشید. اکثر ذرات شلیک‌شده، از داخل فویل عبور کردند، اما تعداد کمی از آن‌ها منحرف شدند و حتی تعدادی در جهت عکس به عقب برگشتند. خود رادرفورد، ۱۵ سال بعد از این آزمایش، درباره آن می‌گوید: این باورنکردنی‌ترین اتفاقی بود که برای من در تمام زندگی‌ام افتاد؛ به‌قدری باورنکردنی که انگار شما یک گلوله ۱۵ اینچی به سمت یک سطح کاغذی شلیک کنید و بعد از برخورد با آن، به سمت عقب برگردد و به شما بخورد.
این نوع تکنیک اندازه‌گیری ابعاد ذرات، به روش پراکندگی ناکشسان ژرف (Deep inelastic scattering) معروف است و امروزه از آن برای اندازه‌گیری ابعاد ذرات بنیادینِ داخل پروتون‌ها و نوترون‌ها استفاده می‌شود. این تکنیک، از زمان رادرفورد تا الان یک روش بسیار مهم برای اندازه‌گیری ابعاد ذرات بنیادین بوده است.
زمانی که اتم‌ها و هسته‌های آن با ذراتی پرسرعتی نزدیک به سرعت نور بمباران می‌شوند، انٰرژی بسیار بالایی ایجاد می‌شود که بسیار بیش از آن‌چیزی است که اتم‌ها در حالت عادی تجربه می‌کنند. ما در جهانی با انرژی پایین زندگی می‌کنیم، جایی که انرژی اتم‌های بدن ما و برخوردهایی که میان ذرات مختلف اتفاق می‌افتد، کمتر از ۱ میلیاردم انرژی‌ای است که در داخل برخورددهنده هادرونی بزرگ ایجاد می‌شود.
ما در جهان کوانتومی معمولا درباره دوگانگی موج و ذره صحبت می‌کنیم. این دوگانگی به معنای آن است که ذرات کوانتومی که جهان ما را تشکیل می‌دهند دو نوع رفتار موجی و ذره‌ای دارند و این رفتار آن‌ها بستگی به شرایطی دارد که در آن قرار گرفته‌اند. ذرات کوانتومی، در انرژی‌های بالاتر شبیه ذرات رفتار می‌کنند و در انرژی‌های پایین‌تر بسیار شبیه به موج‌ها عمل می‌کنند.
ما این موضوع را با بررسی فوتون یا همان کوانتوم انرژی نور می‌توانیم توضیح دهیم. نور سطوح انرژی مختلفی دارد، از اشعه‌های بسیار پرانرژی گاما گرفته تا موج‌های رادیویی بسیار کم‌انرژی. اما انرژی نور رابطه نزدیکی با طول موج آن دارد: هرچه انرژی بالاتر باشد، طول موج آن کوتاه‌تر است.
کم‌انرژی‌ترین امواج رادیویی که ما می‌شناسیم، چند متر یا حتی چند کیلومتر طول دارند که با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی خود برای به حرکت در آوردن الکترون‌های داخل آنتن‌ها باعث ایجاد سیگنال‌ها می‌شوند. از طرف دیگر، اشعه‌های گاما می‌توانند آن‌قدر پرانرژی باشند که ده‌ها هزار طول موج برای جای گرفتن در درون تنها یکی از پروتون‌های آن‌ها لازم باشد.
اما اگر ذره شما کوچکتر از طول موج نور باشد، نور نخواهد توانست به‌درستی با آن ذره اندرکنش کند و مانند یک موج رفتار خواهد کرد. به همین علت است که فوتون‌های کم‌انرژی، نظیر فوتون‌های نور مرئی، هنگام عبور از دو شکاف، یک الگوی تداخل تشکیل می‌دهند. بنابراین تا زمانی که شکاف‌ها به اندازه‌ای بزرگ باشند که طول موج نور بتواند از میان‌شان عبور کند، یک الگوی تداخل در طرف دیگر ایجاد خواهد شد که نشان‌دهنده رفتار موج‌مانند است.
این رفتار حتی زمانی که شما فوتون‌ها را تک‌به‌تک ارسال می‌کنید دیده می‌شود، بطوریکه حتی ذرات سنگین‌تر هم می‌توانند تحت شرایط کم‌انرژی مانند امواج رفتار کنند. الکترون‌های کم‌انرژی هم که تک‌به‌تک به سمت صفحه دو شکاف ارسال می‌شوند، الگوی تداخلی تشکیل می‌دهند که این موضوع رفتار موج‌مانند آن‌ها را ثابت می‌کند.
وقتی صحبت از اتم می‌شود، اکثر ما به‌طور غریزی همان مدلی را تصور می‌کنیم که قبلا یاد گرفته‌ایم: یک الکترون نقطه‌ای شکل که به دور یک هسته کوچک و سنگین می‌چرخد. این “مدل سیاره‌ای” را اولین بار رادرفورد ارایه کرد و بعدا توسط نیلز بور و آرنولد سامرفلد، به خاطر نیاز به سطوح انرژی مجزا، دچار تغییراتی شد.
اما ما در طول قرن گذشته متوجه شده‌ایم که این مدل‌ها برای توضیح آنچه که واقعا در درون اتم اتفاق می‌افتد بیش از اندازه ذرهمانند هستند. الکترون‌ها سطوح انرژی مجزایی را اشغال می‌کنند، اما این به معنای مدارهای سیاره‌ای برای آن نیست؛ بلکه الکترون‌ها بیشتر مثل یک ابر رفتار می‌کنند. بنابراین زمانی که شما تصاویر مدارهای اتمی را نگاه می‌کنید، آن‌ها در اصل شکل موجی الکترون‌ها را نشان می‌دهند.
اگر شما قرار باشد یک فوتون یا ذره پرانرژی را به داخل اتم بفرستید تا در آنجا با الکترون اندرکنش کند، مطمئنا می‌توانید محل دقیق آن را تعیین کنید. اما فرستادن این ذره پرانرژی به داخل اتم اساسا هر آنچه را که داخل اتم اتفاق می‌افتد تغییر خواهد داد. این عمل باعث خواهد شد تا الکترون به جای اینکه مثل یک موج رفتار کند، حداقل برای لحظه‌ای، مثل یک ذره عمل کند.
اما تا قبل از وقوع این اندرکنش، الکترون همیشه رفتاری مثل به یک موج داشته است. زمانی که شما یک اتم ایزوله‌شده در دمای اتاق، یا زنجیره‌ای از اتم‌های متصل‌شده در درون یک مولکول دارید، آن‌ها مثل ذرات رفتار نخواهند کرد، بلکه آن‌ها مثل موج‌ها عمل می‌کنند و الکترون در کل این حجم ۱ آنگسترومی قرار خواهد گرفت.
بهترین راه برای تصور یک الکترون، تشبیه آن به ابر یا مه‌ای است که در فضای اطراف هسته اتم پخش شده است. زمانی که دو اتم یا بیشتر در درون یک مولکول به هم متصل می‌شوند، ابرهای الکترونی آن‌ها با یکدیگر هم‌پوشانی می‌کند و الکترون حتی بیشتر از قبل، فضای حرکت پیدا خواهد کرد. وقتی که شما دست‌تان را روی سطحی فشار می‌دهید، نیروهای الکترومغناطیسی ناشی از الکترون‌های روی آن سطح، به الکترون‌های دست شما فشار وارد می‌کنند و باعث می‌شوند تا ابرهای الکترونی دچار تغییر شکل شوند.
این تصور البته کمی غیر شهودی به نظر می‌رسد، برای اینکه ما عادت کرده‌ایم ذرات بنیادین را به چشم ذره نگاه کنیم. اما بهتر است که آن‌ها را به صورت مواد کوانتومی تصور کنیم: موادی که در شرایط پرانرژی مثل ذرات رفتار می‌کنند و در شرایط کم‌انرژی مثل موج‌ها. اتم‌ها تحت شرایط عادی رفتاری شبیه به موج دارند و در حالت کوانتومی فضای بزرگی را اشغال می‌کنند.
ما هر وقت برای تصور جهان از شهودمان استفاده می‌کنیم، به مشکل بزرگی بر می‌خوریم: شهود زاده تجربه است و تجربه ما از این جهان، کاملا کلاسیک و غیر کوانتومی است. جهان ما از ذرات بنیادین تشکیل شده و این ذرات می‌توانند به نحوی رفتار کنند که مانند موج به نظر برسند.
اما در دنیای کوانتومی، رفتار موج‌مانند، به اندازه رفتار ذرهمانند، بنیادین است و فقط شرایط آزمایش، اندازه‌گیری یا اندرکنش‌هاست که آنچه را که می‌بینیم تعیین می‌کند. در انرژی‌های بسیار بالا، آزمایش‌ها می‌توانند رفتار ذرهمانند را نشان دهند. اما تحت شرایط نرمال، مثل آنچه که ما به‌طور پیوسته در بدن‌هایمان تجربه می‌کنیم، یک الکترون می‌تواند تمام فضای داخل اتم یا مولکول را در بر بگیرد.
بنابراین بدن شما عمدتا از فضای خالی تشکیل نشده است، بلکه شامل مجموعه‌ای از ابرهای الکترونی است که با قوانین کوانتومی به هم متصل شده‌اند.
فکر کنم یک انگستروم حدود یک میلیونوم یک میلیمتر باشه. ابعاد یک اتم رو هم حدود همین یک انگستروم در نظر میگیریم. گفتید اندازه یک پروتون حدود یک صد هزارم یک انگسترومه. و الکتروم هم اندازه‌ش حدود یک ده هزارم پروتونه. پس یک اتم هیدروژن که از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده باید اندازه‌ای حدود یک انگستروم داشته باشه. خب پروتون هم که یک صد هزارم انگسترومه و الکترون هم طبق چیزی که نوشتید، یک میلیاردم انگسترومه. بین پروتون و الکترونم قاعدتا یک فاصله‌ای هست که با این اوصاف اتم ما جای خالی بسیار زیادی خواهد داشت.