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从量子力学怎么理解“力”的概念

从量子力学怎么理解“力”的概念

作者: roger0863 | 来源:发表于2020-02-21 21:01 被阅读0次

          近日,听李剑龙老师的量子力学专栏,对力的概念有了新的认识,下面与大家分享一下所学的内容。

    我们都有过这样的经历:坐车的时候,司机一踩油门,你的背后就传来一股推力。这是加速度产生的推背感。按我们通常的理解,是汽车的座椅靠背传导了一股推力,但这种推背感到底是怎样产生的?这个力的本质是什么呢?

    首先,力是一个宏观展现的概念。

    我们日常生活中感受到的力,大都是复合感受。这就好比一束太阳光,表面上看是白色,我们拿三棱镜一分解就发现,其实存在好几种颜色。

    量子力学就相当于这个三棱镜。我们用量子力学把这种推背感分解以后,就会得到三种不同的排斥力。虽然有三种,但它们对你感受到的排斥力的贡献,是不一样的。

    第一种是静电排斥力。这个很好理解,椅背里有原子核,有电子;原子核带正电,电子带负电。

    正电和正电之间会相互排斥,负电和负电之间也会相互排斥。但这不是排斥力最主要的来源。

    第二种是量子力学的不确定性原理。你的身体挤压椅背上的原子,想让每个原子都变小一点儿,就会感到一种排斥力。但这也不是排斥力最主要的来源。

    贡献最大的是第三种,它来自量子力学的另一种原理,叫泡利不相容原理。提出这个原理的物理学家叫泡利。“不相容”很好理解,意思是说,我占了这个地方你就不能占了,我容不下你。

    你的身体在往后靠的时候,原子挤在一起,一个原子的电子就有可能被挤到另一个原子那里。但是原来原子的电子占满了本来的地方,你要新加进来一个电子,就会感到一种排斥力。

    有些科普书会把这种力叫作“简并力”。这才是推背感最主要的来源。

    按量子力学理论,上述的几种力再往下分解,最后会归结于四种基本相互作用。

    哪么,什么叫基本相互作用呢? 最底层不可还原的就是基本相互作用

    我们先来理解一下,什么叫相互作用。很多科普书说,相互作用就像两个人在扔球。我扔球的时候,向后一仰。你接住球以后,也向后一仰。如果有个眼神不好的人站在远处看,他看不到球,就会以为,我隔空朝你施加了一个力,你朝我施加了一个反作用力。所以,粒子就是通过朝其他粒子扔球来施加作用力的。这里说的扔球和接球的过程,都属于相互作用。

    这个比喻很巧妙,但有个地方它没有说清楚。就是这个球,是一个粒子,按量子力学,它也具有波粒二象性。所以,我们扔出去的其实是一朵粒子云。

    而且别忘了,我和你也是粒子,所以我们俩也是两朵云。如果你把自己缩小到量子尺度,就会发现两个粒子之间的相互作用,本质上就是两朵云,在不断发出和吸收第三朵云。

    那么这第三朵云是什么呢?有的云可以拆分,我们就继续往下拆。当我们把所有的云拆到底层,不能继续拆分时,就会发现只剩下三种不同的云,分别对应三种不同的基本相互作用。

    按照从强到弱的顺序,排第一是的强相互作用,它一共会扔八种不同的云,这些云都叫作胶子。有了它,原子核里的质子、中子才能稳定地存在。

    强相互作用的作用距离很短,只在原子核内起作用,出了原子核就没效果了。所以我们平时感觉不到。

    排第二的是电磁相互作用,它扔的云我们都应该很熟悉了,叫光子,是物理学家总拿它做实验的那个光子。

    它贡献了我们平时听说的化学键、分子间作用力,以及各种宏观世界的力,比如表面张力,静电力,磁力等等。电磁力的作用距离很远,我们平时经常感觉到。

    排第三的是弱相互作用,它会扔三种云,分别叫W+,W-和Z0玻色子。弱相互作用也只在原子核内有效,而且强度很弱,似乎没有什么存在感。但其实,弱相互作用很重要。

    这三种相互作用加上万有引力,就是世界的四大基本相互作用。但量子力学在说到基本相互作用时,只能解释清楚其中的三个。

    就目前来说,万有引力还是广义相对论负责解释的,而量子力学和广义相对论这两套理论,还没有统一。

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