Почему одинаковые/противоположные электрические заряды отталкиваются/притягиваются соответственно?

Ну, это не имеет ничего общего с бозоном Хиггса, но это связано с некоторыми глубокими фактами в специальной теории относительности и квантовой механике , о которых известно. К сожалению, я не знаю, как сделать объяснение по-настоящему простым, если не считать еще нескольких основных фактов. Может быть, это поможет вам, а может и нет, но на данный момент это самое фундаментальное из известных объяснений. Трудно сделать это действительно убедительным (т. е. сделать так, чтобы оно казалось неизбежным ) без математики:

• Частицы и силы теперь понимаются как результат действия полей . Квантовые поля , если быть точным. Поле — это математический объект, принимающий значение в каждой точке пространства и в каждый момент времени. Квантовые поля — это поля, переносящие энергию и импульс и подчиняющиеся правилам квантовой механики. Одним из следствий квантовой механики является то, что квантовое поле переносит энергию дискретными «сгустками». Мы называем эти комочки частицами . Между прочим, это объясняет, почему все частицы одного и того же типа (например, все электроны) идентичны: все они представляют собой сгустки в одном и том же поле (например, поле электрона).

• Поля принимают значения в различных видах математических пространств, которые классифицируются специальной теорией относительности. Простейшим является скалярное поле. Скалярное поле — это простое число в каждой точке пространства и времени. Другой возможностью является векторное поле: оно присваивает каждой точке пространства и времени вектор (стрелку с величиной и направлением). Есть и более экзотические возможности. Жаргонный термин, чтобы классифицировать их всех, — это спин , который измеряется в единицах половины. Таким образом, вы можете иметь поля спина$0, \frac{1}{2}, 1, \frac{3}{2}, 2, \cdots$. Вращение$0$скаляры и спин$1$являются векторами.

• Оказывается (это еще одно следствие теории относительности), что частицы с полуцелым спином ($1/2, 3/2, \cdots$) подчиняются принципу запрета Паули . Это означает, что никакие две одинаковые частицы со спином$1/2$может занимать одно и то же место. Это означает, что эти частицы часто ведут себя так, как вы ожидаете от классических частиц. Мы называем это частицами материи, и все основные строительные блоки мира (электроны, кварки и т. д.)$1/2$.

• С другой стороны, частицы с целым спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (опять же следствие теории относительности). Это означает, что эти частицы «любят быть вместе», и многие из них могут собираться вместе и создавать большие волнообразные движения, более похожие на классические поля , чем на частицы. Это силовые поля; соответствующие частицы являются носителями силы. Примеры: спина$0$Хиггс, крутись$1$фотоны, частицы слабого взаимодействия$W^\pm, Z$, и сильное взаимодействие переносит глюоны, и спин$2$гравитон, носитель гравитации. (Этот и предыдущий факт называются теоремой о спиновой статистике .)

• Теперь взаимодействие двух частиц с «зарядами»$q_{1,2}$идет как$\mp q_1 q_2$для всех сил ( это следствие квантовой механики), но знак сложно объяснить. Из-за специальной теории относительности взаимодействие между частицей и носителем силы должно принимать определенную форму в зависимости от вращения носителя силы (это связано с тем, как пространство и время объединяются в единое целое, называемое пространством-временем ). На каждую единицу вращения носителя силы вы должны поставить знак минус (этот знак минус происходит от вещи, называемой « метрикой », которая в теории относительности говорит вам, как вычислять расстояния в пространстве-времени; в частности, она говорит вам, как пространство и время разные и чем они похожи). Итак, для вращения$0$вы получаете$-$: подобные заряды притягиваются. Для отжима$1$вы получаете$+$: подобные заряды отталкивают! И для вращения$2$вы получаете$-$еще раз: подобные заряды притягиваются. Теперь для гравитации «заряд» обычно называют массой, а все массы положительны. Итак, вы видите, что гравитация универсально привлекательна!

Таким образом, в конечном счете, этот признак возникает из-за того, что фотоны несут одну единицу спина, и из-за того, что взаимодействия между фотонами и частицами материи должны подчиняться правилам специальной теории относительности. Обратите внимание на замечательное взаимодействие теории относительности и квантовой механики в действии. Вместе взятые, эти два принципа накладывают гораздо больше ограничений, чем каждый из них по отдельности! В самом деле, весьма примечательно, что они вообще ладят вместе. Поэтическим способом сказать, что это мир, является тонкий танец между этими двумя партнерами.

Почему атомы и молекулы обычно притягиваются? На самом деле это более сложный вопрос! ;) (Поскольку задействовано много частиц.) Сила между атомами — это остаточная электрическая сила, оставшаяся после того, как электроны и протоны почти погасили друг друга. Вот как об этом думать: электроны в одном атоме притягиваются к ядрам обоих атомов и в то же время отталкиваются от других электронов. Таким образом, если другие электроны немного оттолкнутся, в атоме возникнет небольшой дисбаланс заряда, и после того, как все детали будут проработаны, это приведет к чистой силе притяжения, называемой дисперсионной силой .. Существуют различные виды дисперсионных сил (лондонские, ван-дер-ваальсовые и т. д.) в зависимости от деталей конфигурации задействованных атомов/молекул. Но все они в основном обусловлены остаточными электростатическими взаимодействиями.

Дополнительная литература: я рекомендую педагогические статьи Мэтта Штрасслера о физике элементарных частиц и теории поля. Он отлично справляется с честным объяснением вещей без математики или с очень небольшим количеством математики. Аргумент, который я привел выше, в той или иной степени освещается почти в каждом учебнике по квантовой теории поля, но особенно четкое изложение этого направления (включая математику) содержится в «Квантовой теории поля в двух словах» Зи. Я бы порекомендовал начать с этого, если вы хотите честно изучить эти вещи, математику и все такое, но это продвинутый учебник по физике (несмотря на то, что он написан прекрасным, очень доступным языком), поэтому вам, вероятно, потребуется как минимум два года бакалавриата. по специальности физика и согласованные усилия, чтобы добиться в ней прогресса.

Экспериментаторы отвечают:

Почему одинаковые/противоположные электрические заряды отталкиваются/притягиваются соответственно?

Потому что внимательные физики сделали бесчисленное количество наблюдений и обнаружили, что природа делает именно так. Существует долгая история наблюдений, прежде чем какая-либо теория могла быть утверждена. Они наблюдали поведение притяжения с некоторыми типами, отталкивания с другими и определили + и - для разделения двух наборов.

Классическая электромагнитная теория очень хорошо моделировала поведение зарядов с помощью уравнений Максвелла . Они показывают, как, когда в природе существуют положительные и отрицательные заряды, их можно смоделировать с помощью точных математических решений уравнений, и можно подумать, что на ваше «почему» ответит «потому что они удовлетворяют уравнениям Максвелла».

Затем появилась квантовая механика как революционная математическая теория для описания явлений, измеряемых в микромире, включая заряженные элементарные частицы, и была разработана теория, как объяснено в ответе Майкла Брауна выше, которая снова очень хорошо моделирует поведение заряженных частиц и ваше «почему?» можно ответить «потому что они удовлетворяют уравнениям квантовой электродинамики».

Тогда вы должны понять, что «почему противоположные заряды притягиваются» с ответом «потому что это то, что мы наблюдали» становится «потому что мы успешно математически смоделировали наблюдения». Тогда возникает вопрос, почему эта математическая модель, и ответ «потому что она описывает наблюдения», круговой.

Я указываю, что на вопросы «почему» нельзя ответить с помощью физики. Физику можно успешно смоделировать математически с помощью постулатов, и с помощью модели можно показать, как можно точно предсказать поведение положительных и отрицательных зарядов во всех видах экспериментальных условий, но не «почему» они существуют. Почему получает ответ «потому что это то, что, как мы наблюдаем, делает природа».

Что ж, взаимное отталкивание одинаковых частиц, таких как электроны (например), обычно объясняется как происходящее из-за «обменных частиц», которые опосредуют четыре стандартные силы стандартной модели. Для Электромагнитной силы (кулоновской) между одноименными зарядами (электронами) обменной частицей является Фотон.

Два электрона в непосредственной близости друг от друга «обмениваются» фотоном друг с другом (туда и обратно), что приводит к взаимному отталкиванию.

Представьте себе двух фигуристов, стоящих лицом друг к другу на гладком льду. Предположим, они бросают шар для боулинга 12 # туда и обратно друг другу; ну, может быть, «лечебный мяч» был бы безопаснее.

Результатом «обмена» мячом вперед и назад является то, что реакция от броска мяча другому приводит к тому, что оба фигуриста отдаляются друг от друга. Чем дальше они расходятся, тем труднее им обмениваться мячом, и сила отталкивания между ними падает.

Каждая из четырех сил природы имеет свою обменную частицу; фотон, являющийся посредником электромагнитной силы. Я позволю ОП выяснить, что представляют собой остальные три.

Все дело в энергии, в том смысле, что все является положительной или отрицательной энергией. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, чтобы восполнить недостаток или избыток энергии.