В физике термин обменная сила используется для описания двух различных концепций, которые не следует путать.
Обмен носителями силы в физике элементарных частиц
Предпочтительное значение обменной силы находится в физике элементарных частиц , где она обозначает силу, создаваемую обменом частицами- носителями силы , например электромагнитную силу, создаваемую обменом фотонами между электронами, и сильную силу, создаваемую обменом глюонами между кварками. . [1] [2] [3] Идея обменной силы подразумевает непрерывный обмен виртуальными частицами, которые сопровождают взаимодействие и передают силу, процесс, который получает свое оперативное обоснование через принцип неопределенности Гейзенберга . [4]
Используя это понятие, можно рассматривать действие сил как аналог следующей ситуации: два человека стоят на ледяном пруду. Один человек двигает рукой, и его толкают назад; мгновение спустя другой человек хватается за невидимый объект и отбрасывается назад (отталкивается). Даже если вы не видите баскетбольный мяч, вы можете предположить, что один человек бросил баскетбольный мяч другому, потому что вы видите его воздействие на людей. АНИМАЦИЯ Еще одна грубая аналогия, которая часто используется для объяснения притяжения вместо отталкивания, - это два человека на ледяном пруду, бросающие друг в друга бумеранги. Бумеранг отбрасывается от ловца, но он кружится к ловцу в направлении метателя, и метатель, и ловец подталкиваются друг к другу действиями броска и ловли.
Все взаимодействия, которые влияют на частицы материи, можно рассматривать как связанные с обменом частицами-носителями силы, совсем другим типом частиц, виртуальными частицами . [5] Эти частицы можно рассматривать как нечто вроде баскетбольных мячей, подбрасываемых между частицами материи (которые похожи на баскетболистов). То, что мы обычно называем «силами», на самом деле является воздействием частиц-носителей силы на частицы материи. Анимация баскетбола, конечно, является очень грубой аналогией, поскольку она может объяснить только силы отталкивания и не дает никаких намеков на то, как обмен частицами может привести к силам притяжения. Мы видим примеры сил притяжения в повседневной жизни (такие как магниты и гравитация), и поэтому обычно считаем само собой разумеющимся, что присутствие объекта может просто повлиять на другой объект. Это когда мы подходим к более глубокому вопросу: «Как два объекта могут влиять друг на друга, не касаясь друг друга?» что мы предполагаем, что невидимая сила может быть обменом частицами-носителями силы. Физики элементарных частиц обнаружили, что мы можем объяснить силу одной частицы, действующей на другую, с невероятной точностью, путем обмена этими частицами-носителями силы. Одна важная вещь, которую нужно знать о носителях силы, заключается в том, что конкретная частица носителя силы может быть поглощена или произведена только частицей материи, на которую действует эта конкретная сила. Например, электроны и протоны имеют электрический заряд, поэтому они могут производить и поглощать носитель электромагнитной силы, фотон. С другой стороны, нейтрино не имеют электрического заряда, поэтому они не могут поглощать или производить фотоны.
История
Одно из первых применений термина « взаимодействие» было в обсуждении Нильсом Бором в 1913 году взаимодействия между отрицательным электроном и положительным ядром . [6] Обменные силы были введены Вернером Гейзенбергом (1932) и Этторе Майораной (1933) для того, чтобы учесть насыщение энергии связи и ядерной плотности . [7] [8] Это было сделано по аналогии с квантово-механической теорией ковалентных связей , которые существуют между двумя атомами водорода в молекуле водорода, где химическая сила притягивает, если волновая функция симметрична при обмене координатами электронов. и является отталкивающим, если волновая функция антисимметрична в этом отношении. [9]
Обменное взаимодействие и симметрия квантового состояния
Как другое, совершенно иное значение обменной силы , оно иногда используется [10] как синоним обменного взаимодействия между электронами, которое возникает из сочетания идентичности частиц , обменной симметрии и электростатической силы.
Чтобы проиллюстрировать концепцию обменного взаимодействия, любые два электрона , например, во Вселенной считаются неотличимыми частицами, и поэтому согласно квантовой механике в 3-х измерениях каждая частица должна вести себя как бозон или фермион. В первом случае две (или более) частицы могут занимать одно и то же квантовое состояние, и это приводит к обменному взаимодействию между ними в форме притяжения; в последнем случае частицы не могут находиться в одном и том же состоянии согласно принципу исключения Паули . Из квантовой теории поля , в спине-статистике теорема требует , чтобы все частицы с полуцелым спином ведут себя как фермионы и все частицы с целым спином ведут себя как бозоны. Таким образом, получается, что все электроны являются фермионами, поскольку имеют спин 1/2.
Как математическое следствие, фермионы проявляют сильное отталкивание, когда их волновые функции перекрываются, но бозоны проявляют притяжение. Это отталкивание и моделируется обменным взаимодействием. Ферми-отталкивание приводит к «жесткости» фермионов. Вот почему атомная материя «жесткая» или «жесткая» на ощупь. Там, где волновые функции электронов перекрываются, происходит отталкивание Паули. То же самое верно для протонов и нейтронов, у которых из-за их большей массы жесткость барионов намного больше, чем у электронов.
Смотрите также
Рекомендации
- Перейти ↑ Jaeger, Gregg (2021). «Обменные силы в физике элементарных частиц». Основы физики . 51 (1): 1–31. DOI : 10.1007 / s10701-021-00425-0 .
- ^ Гриббин, Джон (2000). Энциклопедия физики элементарных частиц . Саймон и Шустер. ISBN 0-684-86315-4.
- ^ Exchange Forces , HyperPhysics, Государственный университет Джорджии , по состоянию на 2 июня 2007 г.
- ^ Фалькофф, Дэвид (1950). «Обменные силы». Американский журнал физики . 18 (1): 30–38. Bibcode : 1950AmJPh..18 ... 30F . DOI : 10.1119 / 1.1932489 .
- ^ Джегер, Грегг (2019). «Неужели виртуальные частицы менее реальны?» (PDF) . Энтропия . 21 (2): 141. Bibcode : 2019Entrp..21..141J . DOI : 10.3390 / e21020141 .
- ^ Нильс Бор (1913). «О строении атомов и молекул (Часть 1 из 3)» . Философский журнал . 26 : 1–25. Bibcode : 1913PMag ... 26 .... 1B . DOI : 10.1080 / 14786441308634955 . Архивировано из оригинала на 2007-07-04.
- ^ Гейзенберг, В. (1932). "Über den Bau der Atomkerne. I". Zeitschrift für Physik . 77 (1–2): 1–11. Bibcode : 1932ZPhy ... 77 .... 1H . DOI : 10.1007 / BF01342433 . S2CID 186218053 .
- ^ Майоранан, Этторе (1933). «Uber die Kerntheorie». Zeitschrift für Physik . 82 (3–4): 137–145. Bibcode : 1933ZPhy ... 82..137M . DOI : 10.1007 / BF01341484 . S2CID 120511902 .
- ^ Джаммер, Макс (1957). Концепции силы . ISBN Dover Publications, Inc. 0-486-40689-X.
- ↑ Например, стр. 87–88, Движущая сила: естественная магия магнитов , Джеймс Д. Ливингстон, издательство Гарвардского университета, 1996. ISBN 0-674-21645-8 .
Внешние ссылки
- Обменное взаимодействие (PDF)
- Обменное взаимодействие и энергия
- Обменное взаимодействие и обменная анизотропия
- Приключение частиц