Как работают силы

Квантовая механика говорит, что сила не является примитивной физикой. Он показывает неизменный механизм для них.

Что такое сила? Это то, что изменяет скорость частицы согласно второму закону Ньютона:

$$\vec{F}=m\dfrac{d\vec{v}}{dt}$$ К этому можно свести любые другие проявления сил. Например, когда мы измеряем силу с помощью динамометра, на самом деле это две силы, действующие на одну и ту же частицу, и они компенсируют друг друга, когда частица достигает смещенного положения равновесия.

Без какой-либо силы частица двигалась бы с той же скоростью$\vec{v}=\mathrm{const}$. Но квантовая механика показывает более сложную картину: частица распределена в пространстве и изображается в виде волнового пакета. Его эволюция (движение и изменение) без силы определяется волновым уравнением Шредингера.

$$i\hbar\dfrac{\partial\Psi}{\partial t}=\dfrac{-\hbar^2}{2m}\nabla^2\Psi\qquad\left[=\dfrac{-\hbar^2}{2m}\dfrac{\partial^2\Psi}{\partial x^2}\quad\text{(in 1D space)}\right]$$ Это говорит о том же, $\vec{v}=\mathrm{const}$, а в том смысле, что все компоненты скорости волнового пакета (то есть его коэффициенты Фурье) эволюционируют постоянно во времени и независимо друг от друга. Но это математическая абстракция. Физически это говорит о другом: волновая функция колеблется и течет. Скорость колебаний — это то, что мы называем энергией, а поток поддерживается градиентом фазы.

Что же происходит, когда на сцене появляется сила? Мы должны добавить потенциальную энергию этой силы к уравнению Шрёдингера:

$$i\hbar\dfrac{\partial\Psi}{\partial t}=\dfrac{-\hbar^2}{2m}\nabla^2\Psi+U\Psi\qquad\left[=\dfrac{-\hbar^2}{2m}\dfrac{\partial^2\Psi}{\partial x^2}+U\Psi\quad\text{(in 1D space)}\right]$$ Что тогда происходит с волновой функцией? В некоторых точках (где $U>0$), а с такой же скоростью в некоторых других (где $U=0$). Из-за этого фаза в первых точках будет опережать фазу во вторых точках. А градиент фазы говорит волновой функции течь в направлении запаздывающей фазы. Так частица убежала бы из места, где потенциальная энергия высока! Так работают силы.

Интерфейс между силой (полем) и объектами — это то, что мы называем «зарядом». Электромагнетизм, например, не действует на электрически нейтральный объект.

Очень грубо можно представить себе заряд как крюки, на которых подвешены пружины, передающие силу.

Однако с гравитацией Ньютона нужно быть осторожным. Он отлично работает для повседневных приложений, таких как падение тел и т. Д., Чтобы представить гравитационный заряд как «массу». Безмассовый объект с этой точки зрения невесом. Это неверно в общей теории относительности! Там масса искривляет само пространство и ей подвластны и фотоны, хотя и не имеющие никакой (покоящей) массы.

Сходства между ньютоновской гравитацией и электромагнетизмом заходят довольно далеко. Вы можете представить себе электромагнитный потенциал как гору на месте одного электрона с точки зрения другого. Затем сила отталкивания действует как мяч, катящийся вверх по склону и снова вниз.

Сила — это название, данное физическому измерению, которое не является физическим свойством ускоренной массы, но все же позволяет нам предсказать значение ее ускорения, учитывая численное значение имеющейся силы.

Единственная интерпретация силы, имеющая физическое значение, — это то, как вы присваиваете ей номер.