Výměnná síla - Exchange force

Ve fyzice byl termín výměnná síla používán k popisu dvou odlišných pojmů, které by neměly být zaměňovány.

Výměna nosičů síly ve fyzice částic

Hlavní článek: Force carrier

Upřednostňovaný význam směnné síly je ve fyzice částic , kde označuje sílu produkovanou výměnou částic nosiče síly , jako je elektromagnetická síla produkovaná výměnou fotonů mezi elektrony a silná síla produkovaná výměnou gluonů mezi kvarky . Myšlenka výměnné síly implikuje kontinuální výměnu virtuálních částic, které provázejí interakci a přenášejí sílu, což je proces, který přijímá své operativní ospravedlnění prostřednictvím Heisenbergova principu nejistoty .


S touto představou lze uvažovat o působení sil jako o analogii následující situaci: Dva lidé stojí na ledovém rybníku. Jedna osoba pohne rukou a je zatlačena dozadu; o chvíli později druhá osoba uchopí neviditelný předmět a je zahnána dozadu (odrazena). I když basketbal nevidíte, můžete předpokládat, že jeden hodil basketbal druhému, protože vidíte jeho účinek na lidi. ANIMACE Další surovou analogií, která se často používá k vysvětlení přitažlivosti místo odpuzování, jsou dva lidé na ledovém jezírku, kteří na sebe házejí bumerangy. Bumerang je vyhozen z lapače, ale krouží k lapači ve směru vrhače, jak vrhač, tak lapač jsou k sobě navzájem impulzováni házením a chycením.

Všechny interakce, které ovlivňují částice hmoty, lze považovat za interakce zahrnující výměnu částic nosiče síly, úplně jiného typu částice, virtuální částice . O těchto částicích lze uvažovat poněkud analogicky s basketbalovými míčky házenými mezi hmotnými částicemi (které jsou jako basketbalisté). To, co si běžně představujeme jako „síly“, jsou ve skutečnosti účinky částic nosiče síly na částice hmoty. Basketbalová animace je samozřejmě velmi hrubá analogie, protože dokáže vysvětlit pouze odpudivé síly a neposkytuje žádný náznak toho, jak může výměna částic vést k přitažlivým silám. Vidíme příklady atraktivních sil v každodenním životě (jako jsou magnety a gravitace), a proto obecně bereme jako samozřejmost, že přítomnost objektu může jen ovlivnit jiný objekt. To je, když přistoupíme k hlubší otázce: „Jak mohou dva objekty ovlivnit jeden druhého bez dotyku?“ že navrhujeme, aby neviditelná síla mohla být výměnou částic nosiče síly. Fyzici částic zjistili, že sílu jedné částice působící na druhou můžeme vysvětlit neuvěřitelně přesně výměnou těchto částic nosiče síly. Jedna důležitá věc, kterou je třeba vědět o nosičích síly, je, že konkrétní částice nosiče síly může být absorbována nebo produkována pouze hmotnou částicí, která je touto konkrétní silou ovlivněna. Například elektrony a protony mají elektrický náboj, takže mohou produkovat a absorbovat nosič elektromagnetické síly, foton. Neutrina naproti tomu nemají elektrický náboj, takže nemohou absorbovat ani produkovat fotony.

Dějiny

Jedno z prvních použití termínu interakce bylo v diskusi Nielse Bohra v roce 1913 o interakci mezi negativním elektronem a pozitivním jádrem . Výměnné síly zavedly Werner Heisenberg (1932) a Ettore Majorana (1933), aby zohlednily nasycení vazebné energie a jaderné hustoty . To bylo provedeno analogicky s kvantově mechanickou teorií kovalentních vazeb , jaké existují mezi dvěma atomy vodíku v molekule vodíku, přičemž chemická síla je atraktivní, pokud je vlnová funkce symetrická při výměně souřadnic elektronů a je odpudivá, pokud vlna funkce je v tomto ohledu anti-symetrická.

Výměnná interakce a symetrie kvantového stavu

Hlavní článek: Výměnná interakce

Jako další zcela odlišný význam směnné síly se někdy používá jako synonymum výměnné interakce mezi elektrony, která vzniká kombinací identity částic , směnné symetrie a elektrostatické síly.

Pro ilustraci konceptu výměnné interakce jsou jakékoli dva elektrony , například ve vesmíru, považovány za nerozeznatelné částice, a tak se podle kvantové mechaniky ve 3 dimenzích musí každá částice chovat jako boson nebo fermion. V prvním případě mohou dvě (nebo více) částic obsadit stejný kvantový stav, což vede k výměně interakce mezi nimi ve formě přitažlivosti; v druhém případě nemohou částice zaujímat stejný stav podle Pauliho vylučovacího principu . Z teorie kvantového pole vyžaduje věta o spinové statistice, aby se všechny částice s půlčíselným spinem chovaly jako fermiony a všechny částice s celočíselným spinem jako bosony. Stává se tedy, že všechny elektrony jsou fermiony, protože mají rotaci 1/2.

Jako matematický důsledek vykazují fermiony silný odpor, když se jejich vlnové funkce překrývají, ale bosony vykazují přitažlivost. Toto odpuzování je to, co modely výměny interakce. Fermiho odpuzování má za následek „ztuhlost“ fermionů. Proto je atomová hmota na dotek „tuhá“ nebo „tuhá“. Tam, kde se vlnové funkce elektronů překrývají, dochází k Pauliho odpuzování. Totéž platí pro protony a neutrony, kde díky své větší hmotnosti je tuhost baryonů mnohem větší než tuhost elektronů.

Viz také

Reference

  1. ^ Jaeger, Gregg (2021). "Výměnné síly ve fyzice částic". Základy fyziky . 51 (1): 1–31. doi : 10,1007 / s10701-021-00425-0 .
  2. ^ Gribbin, John (2000). Encyclopedia of Particle Physics . Simon & Schuster. ISBN   0-684-86315-4 .
  3. ^ Exchange Forces , HyperPhysics, Georgia State University , přístup 2. června 2007.
  4. ^ Falkoff, David (1950). "Výměnné síly". American Journal of Physics . 18 (1): 30–38. Bibcode : 1950AmJPh..18 ... 30F . doi : 10,1119 / 1,1932489 .
  5. ^ Jaeger, Gregg (2019). „Jsou virtuální částice méně skutečné?“ (PDF) . Entropie . 21 (2): 141. Bibcode : 2019Entrp..21..141J . doi : 10,3390 / e21020141 .
  6. ^ Niels Bohr (1913). „O ústavě atomů a molekul (část 1 ze 3)“ . Filozofický časopis . 26 : 1–25. Bibcode : 1913PMag ... 26 .... 1B . doi : 10,1080 / 14786441308634955 . Archivovány od originálu dne 2007-07-04.
  7. ^ Heisenberg, W. (1932). „Über den Bau der Atomkerne. Já“. Zeitschrift für Physik . 77 (1–2): 1–11. Bibcode : 1932ZPhy ... 77 .... 1H . doi : 10,1007 / BF01342433 . S2CID   186218053 .
  8. ^ Majoranan, Ettore (1933). „Uber die Kerntheorie“. Zeitschrift für Physik . 82 (3–4): 137–145. Bibcode : 1933ZPhy ... 82..137M . doi : 10,1007 / BF01341484 . S2CID   120511902 .
  9. ^ Jammer, Max (1957). Koncepty síly . Dover Publications, Inc. ISBN   0-486-40689-X .
  10. ^ Například str. 87–88, Driving Force: the natural magic of magnets , James D. Livingston, Harvard University Press, 1996. ISBN   0-674-21645-8 .

externí odkazy