Частицы и античастицы притягиваются друг к другу?

Из самого базового понимания того, что они взаимно созданы из ничего и сталкиваются, чтобы уничтожить друг друга, кажется, что это происходит из-за притяжения.

Почему? это просто означает, что если двое из них находятся рядом, они могут аннигилировать. Помните, что частицы — это волны, а значит, они весьма рассредоточены. Их не нужно направлять на столкновение друг с другом с применением какой-либо силы, им просто нужно быть рядом друг с другом.

Кроме того, они абсолютно одинаковы, за исключением противоположного заряда.

Не правда. Пары частица-античастица имеют одинаковую массу и спин/изоспин (я думаю), но у них противоположный заряд, барионное число, лептонное число, странность, обаяние, низость (и, возможно, многое другое).

Также не обязательно, чтобы они имели противоположный заряд. Они оба могут быть нейтральными. Например, нейтрон и все нейтрино имеют разные античастицы, как и нейтральный каон (порождающий странный символ$\bar{K}^0$). Нейтральный антикаон имеет странность +1, а нейтральный каон имеет странность -1. (Странность — это свойство, названное довольно причудливо из-за наблюдения, что определенные «странные» частицы всегда появлялись парами или не появлялись вовсе). При этом существуют частицы, которые сами по себе являются античастицами (пи-0-мезоны и все бозоны нейтральной калибровки — фотоны, глюоны, Z, Хиггс, гравитоны).

При этом сил всего четыре (перечислены в порядке возрастания силы).

• Сила тяжести.
• Электромагнетизм. Обратите внимание, что сила, ощущаемая при толкании стены (нормальная сила реакции) или при столкновении двух шаров, является проявлением этой силы, поскольку на самом деле происходит отталкивание электронных облаков атомов. Многие люди используют эту «силу столкновения», думая о частицах, и это неправильно. Частицы не сталкиваются, они могут только обмениваться другими частицами (а также поглощать/излучать друг друга).
• Слабое ядерное взаимодействие: проявляется в бета-распадах.
• Сильное ядерное взаимодействие: удерживает атомы вместе. Дает бум-бум при ядерных взрывах.

Для пары частица-античастица обычно существует какая-то сила, и да, она обычно будет притягательной. Но сила может быть классифицирована по четырем данным выше. Поскольку гравитация слаба и всегда действует, я пренебрегаю ею здесь:

• Пара нейтральных адронов (нейтрон, каон и т. д.): Между ними существует сильное взаимодействие. Также есть немного слабого ядерного взаимодействия, хотя это не обязательно привлекательно.
• Пара заряженных адронов (протоны, пионы и т. д.): здесь действует как ЭМ сила, так и сильная сила, но сильная сила притягивает
• Пара электроноподобных лептонов (e,$\mu$,$\tau$): Обладают электромагнитным притяжением, а также слабым взаимодействием. Слабая сила не притягивает и не отталкивает, а доминирует. Таким образом, пара электрон-позитрон не обязательно притягивается все время.
• Пара нейтрино ($\nu_e$,$\nu_{\tau}$, и т. д.): только слабая сила, не обязательно притягивать
• Пара кварков (u, d, c, s и c): сильное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, немного слабого взаимодействия будут притягиваться.
• Для калибровочных бозонов это становится немного сложнее.

Так что да, мы можем видеть, что преобладает общая сила притяжения, но не во всех случаях и не из-за одного и того же явления.

Почему им не нужно быть рядом?

(дополнение из комментариев ниже)

В квантовой механике есть хорошая концепция, называемая дуальностью волновых частиц. Любая частица может быть представлена ​​в виде волны. На самом деле оба эквивалентны. Что это за волна? Это волна вероятности. Под этим я подразумеваю, что он отслеживает вероятности.

Я приведу пример. Допустим, у вас есть друг А. В данный момент вы не знаете, где находится А. Он может быть дома или на работе. В качестве альтернативы он может быть где-то еще, но с меньшей вероятностью. Итак, вы рисуете трехмерный график. Оси x и y соответствуют местоположению (так что вы можете нарисовать карту на плоскости xy), а ось z соответствует вероятности. Ваш график будет гладкой поверхностью, похожей на песчаные дюны в пустыне. У вас будут «горбы» или дюны в доме А и на его рабочем месте, так как существует максимальная вероятность того, что он там. У вас могут быть небольшие горбы в других местах, которые он часто посещает. Будут крошечные, но конечные вероятности того, что он где-то еще (скажем, в другой стране). Теперь, допустим, вы звоните ему и спрашиваете, где он. Он говорит, что едет домой с работы. Так, ваш граф будет переконфигурирован так, что он будет иметь «хребты» вдоль всех дорог, по которым он, скорее всего, пойдет. Теперь он звонит тебе, когда приходит домой. Теперь, поскольку вы точно знаете, где он находится, в его доме будет «пик» с вероятностью 1 (при условии, что его дом размером с точку, иначе будет высокий горб). Через пять минут вы решаете перерисовать график. Теперь вы почти уверены, что он дома, но, возможно, он ушел. Он не может уйти далеко за 5 минут, так что вы рисуете горб с центром в его доме и откосами снаружи. Со временем этот горб будет постепенно сглаживаться. с вероятностью 1 в его доме (при условии, что его дом размером с точку, иначе будет высокий горб). Через пять минут вы решаете перерисовать график. Теперь вы почти уверены, что он дома, но, возможно, он ушел. Он не может уйти далеко за 5 минут, так что вы рисуете горб с центром в его доме и откосами снаружи. Со временем этот горб будет постепенно сглаживаться. с вероятностью 1 в его доме (при условии, что его дом размером с точку, иначе будет высокий горб). Через пять минут вы решаете перерисовать график. Теперь вы почти уверены, что он дома, но, возможно, он ушел. Он не может уйти далеко за 5 минут, так что вы рисуете горб с центром в его доме и откосами снаружи. Со временем этот горб будет постепенно сглаживаться.

Так что же я здесь описал? Это волновая функция (технически квадрат модуля волновой функции) или «волновая» природа частицы. Волновая функция может реконфигурироваться, а также «схлопываться» до «пика», в зависимости от того, какие данные вы получаете.

Теперь у всего есть волновая функция. Ты, я, дом и частицы. У нас с вами очень ограниченная волновая функция (из-за крошечной длины волны, но не будем вдаваться в подробности), и нам редко (читай: никогда) приходится принимать во внимание волновую природу в нормальных масштабах. Но для частиц волновая природа становится неотъемлемой частью их поведения.

В следующем абзаце я упрощаю некоторые вещи с волновыми функциями и пренебрегаю частью их природы, чтобы облегчить себе работу.

Вернемся к проблеме. Теперь и наша частица, и античастица являются волнами. У них есть небольшой горб, но они могут быть довольно раскидистыми. Теперь эти волны приближаются друг к другу. Помните, значение волны (на самом деле квадрат ее модуля, поскольку волновая функция — это комплексное число) дает вероятность, с которой мы можем найти частицу в точке. Если волновые функции$\Psi_1(x,y),\Psi_2(x,y)$, вероятность нахождения обеих частиц в одной и той же точке будет$\Psi_1(x,y)\times\Psi_2(x,y)$(правила нормальной вероятности). Теперь у вас есть целая куча точек, в которых существуют обе волновые функции (фактически бесконечные, и технически обе волновые функции разбросаны по всей Вселенной, но я этим пренебрегаю). Складывая эти вероятности

Таким образом, даже если часть двух волновых функций перекрывается, существует некоторая нетривиальная вероятность того, что они аннигилируют друг друга. Как я уже сказал, волновые функции на самом деле охватывают все пространство, но если мы пренебрежем этими частями (они чрезвычайно малы), то «размер» волны все равно будет довольно большим. Таким образом, пара частица/античастица не обязательно должна быть слишком близка к аннигиляции.

В физике элементарных частиц, микрокосмической версии повседневной физики, у нас есть четыре «известных» силы.

1) гравитационная: сила притяжения, зависящая от массы.

2) электромагнитный

эти два имеют также макроскопические проявления.

3) слабый, возникающий при распадах частиц

4) сильный, который является источником ядерных сил и связывает кварки в нуклоны

Все эти силы действуют, когда встречаются две элементарные частицы, и то, что происходит при их взаимодействии, зависит от энергии, которой они обладают, и квантовых чисел, которые они несут. Существуют конкретные расчеты возможных результатов взаимодействия.

Возьмем электрон и позитрон, античастицы друг друга. Электрическая сила между ними притягивает; В частности, если энергия слишком мала, они аннигилируют в два фотона. Если дать достаточно энергии, они все равно аннигилируют, и одним из возможных результатов, как показано на первой диаграмме , является пара кварк-антикварк через промежуточный фотон. Таких схем может быть и делается много и различных. Квалификация взаимодействия как привлекательного — наименьшее из его достоинств.

Когда антипротон встречается с протоном, электрическая сила притягивается, но как только они оказываются на расстоянии ядра, возникает сильное взаимодействие, которое доминирует при аннигиляции кварков. Опять же, мало смысла называть это «силой притяжения». Энергия взаимодействия и квантовые числа продуктов распада — это то, что доминирует при описании взаимодействия.

В общем, «сила» в физике элементарных частиц означает возможный обмен частицей на диаграммах Фейнмана, описывающих взаимодействие. Привлекательный или отталкивающий — не лучший определитель. Например, на LHC рассеивают протоны на протонах и получают на выходе весь зоопарк частиц стандартной модели. Какое значение имеет определение «отталкивание», которое макроскопические силы придают между двумя положительными зарядами?