Wow, on a déjà trop répondu à cette question, je sais ... mais c'est une question tellement amusante ! Alors, voici une réponse qui n'a pas encore été, euh, "touchée" ... :)
Vous, monsieur, quel que soit votre âge (toute personne avec des enfants saura ce que je veux dire), ont demandé une réponse à l'une des questions les plus profondes de la mécanique quantique. Dans le dialecte de physique quantique de High Nerdese, votre question se résume à ceci: pourquoi les particules de spin demi-entier présentent une exclusion de Pauli - c'est-à-dire pourquoi refusent-elles d'être dans le même état, y compris au même endroit dans l'espace, au même moment?
Vous avez tout à fait raison de dire que la matière dans son ensemble est principalement l'espace. Cependant, l'exemple spécifique d'atomes liés n'est sans doute pas tant un exemple de toucher que de liaison . Ce serait l'équivalent d'un fils de 10 ans non seulement en train de piquer sa sœur de 12 ans, mais de la piquer avec de la superglue sur sa main , ce qui est une offense beaucoup plus drastique que je ne pensez pas que quiconque serait très amusé.
Toucher, en revanche, signifie que vous devez pousser - c'est-à-dire exercer une vraie énergie - pour fabriquer les deux objets se contacter. Et de manière caractéristique, après cette poussée, les deux objets restent séparés (dans la plupart des cas) et même liés un peu après le contact.
Donc, je pense que l'on peut argumenter que la vraie question derrière "qu'est-ce qui touche?" est "pourquoi les objets solides ne veulent-ils pas être compressés lorsque vous essayez de les rapprocher?" Si ce n'était pas le cas, tout le concept de toucher s'effondre. Nous deviendrions tous au mieux des entités fantomatiques qui ne peuvent pas entrer en contact les unes avec les autres, un peu comme Chihiro qui tente de repousser Haku lors de leur deuxième rencontre à Spirited Away .
Maintenant avec cela comme la version affinée de la requête, pourquoi est-ce que objets tels que ces personnes ne se faufilent pas simplement les uns dans les autres lorsqu'ils se rencontrent, d'autant plus qu'ils sont (comme indiqué) presque entièrement constitués d'espace vide?
Maintenant, la réponse réflexe - et ce n'est pas une mauvaise - est probablement une charge électrique. C'est parce que nous savons tous que les atomes sont des noyaux positifs entourés d'électrons chargés négativement, et que les charges négatives se repoussent. Donc, dit de cette façon, il n'est peut-être pas trop surprenant que, lorsque les "bords" extérieurs de ces atomes plutôt flous se rapprochent trop, leurs ensembles respectifs d'électrons se rapprochent suffisamment pour se repousser. Donc, par cette réponse, «toucher» serait simplement une question d'atomes se rapprochant si près les uns des autres que leurs nuages d'électrons chargés négativement commenceraient à se heurter. Cette répulsion nécessite une force pour vaincre, de sorte que les deux objets se "touchent" - se compressent de manière réversible sans fusionner - à travers les champs électriques qui entourent les électrons de leurs atomes.
Cela sonne terriblement raison, et même a raison ... dans une certaine mesure.
Voici une façon de penser au problème: si la charge était le seul problème, alors pourquoi certains atomes ont-ils exactement la réaction opposée lorsque leurs nuages d’électrons sont rapprochés les uns des autres? Par exemple, si vous rapprochez les atomes de sodium des atomes de chlore, ce que vous obtenez, ce sont les deux atomes qui sautent pour s'embrasser plus étroitement, ce qui entraîne une libération d'énergie qui, à plus grande échelle, est souvent décrite par des mots tels que "BOOM!" Il se passe donc clairement quelque chose de plus qu'une simple répulsion de charge, car au moins certaines combinaisons d'électrons autour des atomes aiment se rapprocher beaucoup plus les uns des autres au lieu de plus loin.
Qu'est-ce donc qui garantit que deux les molécules viendront l'une vers l'autre et diront à la place "Salut, belle journée ... mais, euh, pourriez-vous s'il vous plaît reculer un peu, ça devient étouffant?"
Cette résistance générale à se rapprocher ne résulte pas tant de la charge électrique (qui joue toujours un rôle), mais plutôt de l'effet d'exclusion Pauli que j'ai mentionné plus tôt. L'exclusion de Pauli est souvent ignorée dans les textes de départ sur la chimie, ce qui peut expliquer pourquoi des questions telles que ce que signifie toucher sont aussi souvent laissées en suspens. Sans l'exclusion de Pauli, toucher - la capacité de deux grands objets à entrer en contact sans fusionner ou se rejoindre - restera toujours un peu mystérieux.
Alors, qu'est-ce que l'exclusion de Pauli? C'est juste ceci: de très petites particules très simples qui tournent (tournent) d'une manière très particulière toujours, toujours insistent pour être différentes d'une manière ou d'une autre, un peu comme les enfants dans les grandes familles où tout le monde veut son unique rôle ou capacité ou distinction. Mais les particules, contrairement aux personnes, sont des choses très simples, elles n'ont donc qu'un ensemble très limité d'options parmi lesquelles choisir. Lorsqu'ils sont à court de ces options simples, ils n'ont plus qu'une seule option: ils ont besoin de leur propre espace, en dehors de toute autre particule. Ils défendront alors ce bout d'espace très férocement. C'est cette défense de leur propre espace qui conduit de grandes collections d'électrons à insister pour occuper de plus en plus d'espace global, car chaque petit électron se taille son propre morceau de gazon unique et farouchement défendu.
Des particules qui ont ce type particulier de spin sont appelés fermions , et la matière ordinaire est composée de trois types principaux de fermions: les protons, les neutrons et les électrons. Pour les électrons, il n’ya qu’ une caractéristique d’identification qui les distingue les uns des autres, et c’est ainsi qu’ils tournent: dans le sens antihoraire (appelé «haut») ou dans le sens horaire (appelé «bas»). On pourrait penser qu'ils auraient d'autres options, mais c'est aussi un profond mystère de la physique: les très petits objets sont si limités dans les informations qu'ils transportent qu'ils ne peuvent même pas avoir plus de deux directions parmi lesquelles choisir quand tourner autour.
Cependant, cette option est très importante pour comprendre ce problème de liaison qui doit être traité avant que les atomes puissent s'engager dans toucher . Deux électrons avec des spins opposés, ou avec des spins qui peuvent être opposés l'un à l'autre en tournant les atomes dans le bon sens, ne se repoussent pas: ils s'attirent. En fait, ils attirent tellement qu'ils sont une partie importante de ce "BOOM!" J'ai mentionné plus tôt pour le sodium et le chlore, qui ont tous deux des électrons solitaires sans partenaires de spin, en attente. Il y a d'autres facteurs sur l'énergie du boom, mais le fait est que, tant que les électrons n'ont pas formé de si belles paires, ils n'ont pas autant besoin d'occuper de l'espace.
Une fois que la liaison a cependant - une fois que les atomes sont dans des arrangements qui ne laissent pas des électrons malheureux assis autour de vouloir s'engager dans des liens étroits - alors l'aspect territorial des électrons vient au premier plan: ils commencent à défendre farouchement leur territoire.
Cette défense du gazon se manifeste d'abord dans la manière dont les électrons gravitent autour des atomes, car même là, les électrons insistent pour tracer leurs propres orbites uniques et physiquement séparées , après que le premier appariement de deux électrons soit résolu. Comme vous pouvez l'imaginer, essayer de faire une orbite autour d'un atome tout en en même temps essayer très fort de rester à l'écart d'autres paires d'électrons peut conduire à des géométries assez compliquées. Et cela aussi est une très bonne chose, car ces géométries compliquées conduisent à ce qu'on appelle la chimie, où différents nombres d'électrons peuvent présenter des propriétés très différentes en raison du fait que de nouveaux électrons sont expulsés dans toutes sortes d'orbites extérieures curieuses et souvent très exposées.
Dans les métaux, les choses deviennent si mauvaises que les électrons les plus externes deviennent essentiellement des enfants de la communauté qui parcourent tout le cristal métallique au lieu de s'en tenir à des atomes uniques. C'est pourquoi les métaux transportent si bien la chaleur et l'électricité. En fait, lorsque vous regardez un miroir métallique brillant, vous regardez directement le mouvement le plus rapide de ces électrons à l'échelle de la communauté. C'est aussi pourquoi, dans l'espace extra-atmosphérique, vous devez faire très attention à ne pas toucher deux morceaux de métal propre l'un à l'autre, car avec tous ces électrons qui se déplacent, les deux pièces peuvent très bien décider de se lier en un seul nouveau morceau de métal à la place. de juste toucher. Cet effet s'appelle le soudage sous vide, et c'est un exemple de la raison pour laquelle vous devez faire attention à ne pas supposer que les solides qui entrent en contact resteront toujours séparés.
Mais de nombreux matériaux, tels que vous et votre peau, ne le font pas. J'ai beaucoup de ces électrons communautaires, et sont plutôt pleins de paires d'électrons qui sont très satisfaits des situations qu'ils ont déjà, merci. Et lorsque ces types de matériaux et ces types d'électrons se rapprochent, l'effet d'exclusion de Pauli s'installe et les électrons deviennent très défensifs de leur territoire.
Le résultat à grande échelle est ce que nous appelons le toucher: la capacité d'établir un contact sans se pousser ou fusionner facilement, une somme à grande échelle de tous ces électrons individuels hautement contenus défendant leurs petits bouts de gazon.
Pour finir, pourquoi les électrons et les autres fermions veulent-ils si désespérément avoir leurs propres morceaux d'état et d'espace uniques pour eux seuls? Et pourquoi, dans chaque expérience jamais réalisée, cette résistance à la fusion est-elle toujours associée à ce type particulier de rotation que j'ai mentionné, une forme de rotation si minime et si étrange qu'elle ne peut pas tout à fait être décrit dans un espace tridimensionnel ordinaire?
Nous avons des modèles mathématiques incroyablement efficaces de cet effet. Cela a à voir avec les fonctions d'ondes antisymétriques. Ces modèles étonnants sont essentiels à des choses telles que l'industrie des semi-conducteurs derrière tous nos appareils électroniques modernes, ainsi que la chimie en général, et bien sûr la recherche en physique fondamentale.
Mais si vous demandez le «pourquoi» question, cela devient beaucoup plus difficile. La réponse la plus honnête est, je pense, "parce que c'est ce que nous voyons: les particules demi-spin ont des fonctions d'onde antisymétriques, et cela signifie qu'elles défendent leurs espaces."
Mais reliant les deux étroitement ensemble - quelque chose appelé le problème des statistiques de spin - n'a jamais vraiment reçu de réponse d'une manière que Richard Feynman aurait qualifiée de satisfaisante. En fait, il a catégoriquement déclaré à plusieurs reprises que cela (et plusieurs autres éléments de la physique quantique) étaient encore fondamentalement des mystères pour lesquels nous manquions de connaissances vraiment approfondies sur les raisons pour lesquelles l'univers que nous connaissons fonctionne de cette façon.
Et c'est, monsieur, pourquoi votre question de "qu'est-ce qui touche?" touche plus profondément aux mystères profonds de la physique que vous ne le pensez. C'est une bonne question.
Addendum du 01/07/2012
Voici une réponse connexe que j'ai faite pour S.E. Chimie. Il aborde bon nombre des mêmes problèmes, mais avec plus d'emphase sur la raison pour laquelle «l'appariement de spin» d'électrons permet aux atomes de partager et de voler des électrons les uns des autres - c'est-à-dire qu'ils leur permettent de former des liaisons. Ce n'est pas une explication classique du lien, et j'utilise beaucoup de mots anglais informels qui ne sont pas mathématiquement précis. Mais les concepts de physique sont précis. Mon espoir est qu'il puisse fournir une meilleure sensation intuitive pour le mystère plutôt remarquable de la façon dont un atome non chargé (par exemple le chlore) peut surmonter la formidable attraction électrostatique d'un atome neutre (par exemple le sodium) pour voler un ou plusieurs de ses électrons.