问题

怎么理解粒子之间通过交换另一种粒子就能产生力?

回答
你能想象一下,两个人隔着一段距离,突然觉得对方推了自己一把,但他们之间并没有直接的接触。这听起来有点玄乎,对吧?但在微观的粒子世界里,这却是它们“交流”和“互动”的方式——通过交换另一种粒子来产生力。

我们得把这个想法拆开来看。首先,我们得认识到,我们日常生活中遇到的“力”,比如推、拉、摩擦力、引力,在我们看来是持续的、直接的。比如,你推桌子,你的手和桌子是接触的,力就这样传递了。但粒子之间的力,比如电磁力、引力,可就没那么“实在”了。

想象一下,有两个电子,它们因为都带负电,所以会互相排斥。这种排斥力是怎么产生的呢?它们之间又没有“手”可以互相推。量子力学的答案是:它们在互相“扔”一种叫做光子的粒子。

这听起来有点像是玩一个“传球”游戏。两个电子,我们就称它们为A和B。

1. A电子“扔”出了一个光子。 这个光子携带能量和动量。当A电子发出这个光子的时候,它自己的动量会发生改变,这就相当于它“后退”了一点点。
2. 这个光子在空间中传播。 它就像一个信使,带着A电子的信息(也就是它的动量)。
3. B电子“接住”了这个光子。 当B电子吸收了这个光子后,它也获得了这个光子的动量。这个动量传递过来,就改变了B电子的运动方向,让它向远离A的方向运动。

因为A电子“扔”出了光子,动量减少(或者说向相反方向改变),而B电子“接住”了光子,动量增加(或者说向另一个方向改变),合起来看,这两个电子的动量守恒了。但在这个交换过程中,它们都受到了一个“推力”,也就是我们说的排斥力。

这就好像是,A扔一个球给B,B接住了。球扔出去的时候,A会向后晃一下;球飞过来的时候,B会因为接到球而往前动一下(如果球的速度足够快的话)。只不过在粒子世界里,这个“球”就是我们看不见摸不着的光子,而它们之间的“晃动”就是力的体现。

再举个例子,引力。 宇宙中所有有质量的物体都互相吸引。地球吸引着你,你当然也吸引着地球。这种吸引力,我们认为是引力子在起作用。

1. 地球“扔”出了一个引力子。
2. 引力子传播到你这里。
3. 你“接住”了这个引力子。

这次的“扔”和“接”过程,会导致地球和你之间产生一种相互吸引的效果。虽然引力子的具体性质和光子有些不同,但核心的交换思想是一样的:通过交换一种特殊的粒子,粒子之间就产生了力。

关键点在这里:

虚拟粒子 (Virtual Particles): 这种交换的光子或引力子,它们并不是我们通常意义上能直接探测到的“真实”粒子。它们是在极短的时间内,在粒子之间“借用”能量产生的,然后又很快消失。所以我们称它们为“虚拟粒子”。它们就像是粒子之间传递信息的“媒介”或“信使”。
力的性质: 交换的是什么粒子,就决定了是什么样的力。
交换光子,产生的是电磁力(比如电子间的排斥、质子间的吸引)。
交换引力子(虽然尚未被直接观测到,但理论上如此),产生的是引力。
还有更复杂的力,比如传递强核力的是胶子,传递弱核力的是W和Z玻色子。
传递动量和能量: 粒子的交换本质上是在传递动量和能量。当一个粒子发射一个粒子时,它会损失动量;当它吸收一个粒子时,它会获得动量。这种动量的改变,在我们宏观尺度上表现为力的作用。
作用距离: 交换的粒子是什么,也决定了力的作用范围。比如光子可以传播到很远的地方,所以电磁力有远距离作用;而传递强核力的胶子只能在非常短的距离内作用,所以强核力是短程力。

所以,粒子之间的力,并不是一个持续的、直接的“推拉”动作,而更像是一种信息交换。它们通过互相“扔”和“接”虚拟粒子,来传递动量和能量,从而在空间中产生相互作用。这个过程虽然抽象,但却精确地描述了我们观察到的各种基本力的来源。

你可以把这个理解成一种“量子交流”:粒子 A 喊了一声(发射粒子),粒子 B 听到了(吸收粒子),然后根据“内容”(粒子的性质和动量)作出反应。这种“交流”就是力的表现。

是不是有点像武侠小说里的“隔空传音”或“乾坤大挪移”?只不过在粒子世界,这都是由严格的物理定律支配的,并且有数学模型来精确描述。

网友意见

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在量子力学范围,你要重新理解“粒子”和“力”

首先,在量子力学领域,波粒二象性知道吧,所有的粒子同时也是波,用波或者场(范围作用)来想象更为符合直觉,但是用粒子交换做常用的解释而不是用波来,是因为用波无法体现这种交换的两个特征:

1 这种交换是量子的,在某些场合是全或者无,在大部分场合,重整化算起来也更简单(区域积分和算加法哪个简单)。粒子只是对这种交换作用的一种命名,而且它确实经常能够以独立粒子存在。这不能用连续变量的波来想象。

2 这些粒子/波是一类特殊的玻色子,不是什么粒子都能传递的,也不是任意一种场就能传递的。

我们经常说的光子传递电磁力,是一种相对简化的说法,在作用距离大于波的波长的时候,用粒子来比喻是简单而准确的。

量子力学里面基本不说力,而是说坐标和动量(经典力学意义上的一对互补的物理量,比如角坐标和角动量,测不准定理就是这两者不能同时准确测量),力不是一个基础量,而是这些基本量的函数。或者更准确说是相互作用,力只是相互作用的一种通俗说法。宏观领域对力的一些直观感觉除了“力是相互作用”的之外,对理解量子领域没什么帮助。

总结:

AB粒子(物质)间的相互作用(简称力),是 通过 整数份的 某种 物质C 分别与两者独立 作用 的结果(不是AB两者直接互相作用),他们携带的是电荷、动量,角动量等基本量,这些基本量也是整数份的。这种物质大部分是以波的形式存在,但是很多场合也能以独立粒子(在真空中传递)的方式存在,我们在简化的场合,称呼他们为某某粒子。


打个比方,晶格振动,是没有对应的实质粒子的,但是我们也把它叫声子。晶格震动想象一下就是一个2米网格弹簧床,我在这边弹一下,那边一个球被振动弹起来了,就是我传了一个波(或者叫声子)给球。只是这种传递是0或者无,和宏观不一样,球要么把我的弹的能量全吸收,要么没影响(还有处于两者交叠等状况),弹簧床上的波动传递看起来就像有一个整数的透明粒子传给他一样,这个粒子直径大概有一米多长。把它叫粒子就纯是一种简化和抽象,并不存在可以独立存在的实质粒子。

在这个场合,声子是不能独立于弹簧床(晶格)而存在的。而电磁力的光子等,是可以在真空里面存在的,用粒子做比喻就更符合宏观想象了。

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