Обменная сила - Exchange force

В физика период, термин обменная сила был использован для описания двух различных концепций, которые не следует путать.

Обмен носителями силы в физике элементарных частиц

Основная статья: Носитель силы

Предпочтительное значение обменная сила в физика элементарных частиц, где это означает силу, создаваемую обменом носитель силы частицы, такие как электромагнитная сила произведенный обменом фотоны между электроны и сильная сила произведенный обменом глюоны между кварки.[1][2] Идея обменной силы подразумевает постоянный обмен виртуальными частицами, которые сопровождают взаимодействие и передают силу, процесс, который получает свое оперативное обоснование через Принцип неопределенности Гейзенберга.[3][4]

Используя это понятие, можно представить себе действие сил как аналог следующей ситуации: два человека стоят на ледяном пруду. Один человек двигает рукой, и его отталкивают 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 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 побуждаются друг к другу действиями метания и ловли.

Все взаимодействия, которые влияют на частицы материи, можно рассматривать как связанные с обменом частицами-носителями силы, совсем другим типом частиц, т.е. виртуальная частица.[5] Эти частицы можно рассматривать в некоторой степени аналогично баскетбольным мячам, подбрасываемым 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, очень грубая аналогия, поскольку она может объяснить только силы отталкивания и не дает никаких намеков на то, как может происходить обмен частицами. в силах притяжения. Мы видим примеры сил притяжения в повседневной жизни (такие как магниты и гравитация), и поэтому мы 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 могла 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-носитель силы может быть поглощена или произведена только посредством частица материи, на которую действует эта особая сила. Например, электроны и протоны имеют электрический заряд, поэтому они могут производить и поглощать носитель электромагнитной силы - фотон. Нейтрино, с другой стороны, не имеют электрического заряда, поэтому они не могут поглощать или производить фотоны.

История

Одно из первых применений термина взаимодействие был в обсуждении Нильс Бор в 1913 году о взаимодействии отрицательных электрон и положительный ядро.[6] Обменные силы были введены Вернер Гейзенберг (1932) и Этторе Майорана (1933), чтобы учесть насыщение энергия связи и из ядерная плотность.[7][8] Это было сделано по аналогии с квантово-механической теорией ковалентные связи, например, существуют между двумя атомами водорода в молекуле водорода, где химическая сила притягивает, если волновая функция симметрична при обмене координатами электронов, и является отталкивающей, если волновая функция антисимметрична в этом отношении.[9]

Обменное взаимодействие и симметрия квантового состояния

Основная статья: Обменное взаимодействие

Как другое, совершенно отличное значение слова обменная сила, иногда используется[10] как синоним обменное взаимодействие, между электронами, который возникает из-за комбинации идентичность частиц, обменная симметрия, а электростатический сила.

Чтобы проиллюстрировать концепцию обменного взаимодействия, любые два электроны, например, во Вселенной считаются неотличимый частиц, 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 одну и ту 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 Принцип исключения Паули. Из квантовая теория поля, то спин-статистическая теорема требует, чтобы все частицы с полуцелое число вращение ведут себя как фермионы и все частицы с целое число спин 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. Где волновые функции электронов перекрываются, происходит отталкивание Паули. То же верно и для протоны и нейтроны где из-за их большей массы жесткость барионов намного больше, чем у электронов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гриббин, Джон (2000). Энциклопедия физики элементарных частиц. Саймон и Шустер. ISBN  0-684-86315-4.
  2. ^ Обменные силы, Гиперфизика, Государственный университет Джорджии, по состоянию на 2 июня 2007 г.
  3. ^ Фалькофф, Дэвид (1950). «Обменные силы». Американский журнал физики. 18 (1): 30–38. Bibcode:1950AmJPh..18 ... 30F. Дои:10.1119/1.1932489.
  4. ^ Джегер, Грегг (2019). «Неужели виртуальные частицы менее реальны?» (PDF). Энтропия. 21 (2): 141. Bibcode:2019Entrp..21..141J. Дои:10.3390 / e21020141.
  5. ^ Джегер, Грегг (2019). «Неужели виртуальные частицы менее реальны?» (PDF). Энтропия. 21 (2): 141. Bibcode:2019Entrp..21..141J. Дои:10.3390 / e21020141.
  6. ^ Нильс Бор (1913). «О строении атомов и молекул (Часть 1 из 3)». Философский журнал. 26: 1–25. Bibcode:1913ПМаг ... 26 .... 1Б. Дои:10.1080/14786441308634955. Архивировано из оригинал на 2007-07-04.
  7. ^ Гейзенберг, В. (1932). "Über den Bau der Atomkerne. I". Zeitschrift für Physik. 77 (1–2): 1–11. Bibcode:1932ZPhy ... 77 .... 1H. Дои:10.1007 / BF01342433. S2CID  186218053.
  8. ^ Майоранан, Этторе (1933). «Uber die Kerntheorie». Zeitschrift für Physik. 82 (3–4): 137–145. Bibcode:1933ZPhy ... 82..137M. Дои:10.1007 / BF01341484. S2CID  120511902.
  9. ^ Джаммер, Макс (1957). Концепции силы. Dover Publications, Inc. ISBN  0-486-40689-X.
  10. ^ Например, стр. 87–88, Движущая сила: природная магия магнитов, Джеймс Д. Ливингстон, издательство Гарвардского университета, 1996. ISBN  0-674-21645-8.

внешняя ссылка