Что означает, что два объекта «соприкасаются»?

Вау, на этот вопрос уже было слишком много ответов, я знаю... но это такой забавный вопрос! Итак, вот ответ, который еще не был "затронут"... :)

Вы, сэр, сколько бы вам ни было лет (любой, у кого есть дети, поймет, что я имею в виду), попросили ответить на один из самых глубоких вопросов квантовой механики. На диалекте квантовой физики Высокого Нердезе ваш вопрос сводится к следующему: почему частицы с полуцелым спином демонстрируют исключение Паули , то есть почему они отказываются находиться в одном и том же состоянии, включая одно и то же место в пространстве, в в то же время?

Вы совершенно правы, что материя в целом — это в основном пространство. Однако конкретный пример связанных атомов, возможно, является не столько примером прикосновения, сколько примером связи . Это было бы равносильно тому, что 10-летний сын не просто ткнул бы свою 12-летнюю сестру, но и ткнул бы ее суперклеем на руке , что является значительно более тяжким преступлением, и я не думаю, что кто-то станет сильно позабавил.

Прикосновение, напротив, означает, что вы должны подтолкнуть — то есть приложить некоторую реальную энергию — для того, чтобы два объекта соприкоснулись друг с другом. И характерно, что после этого толчка два объекта остаются отдельными (в большинстве случаев) и даже немного связаны после контакта.

Итак, я думаю, можно утверждать, что настоящий вопрос «что трогательно?» "почему твердые объекты не хотят сжиматься, когда вы пытаетесь сдвинуть их вместе?" Если бы это было не так, вся концепция прикосновения развалилась бы. Мы все стали бы в лучшем случае призрачными существами, которые не могут вступить в контакт друг с другом, как Тихиро, когда она пытается оттолкнуть Хаку во время их второй встречи в «Унесенных призраками» .

Теперь, когда это уточненная версия вопроса, почему такие объекты, как люди, не просто проносятся сквозь друг друга при встрече, тем более что они (как уже отмечалось) почти полностью состоят из пустого пространства?

Теперь рефлекторный ответ — и он неплохой — скорее всего, будет электрическим зарядом. Это потому, что все мы знаем, что атомы — это положительные ядра, окруженные отрицательно заряженными электронами, а отрицательные заряды отталкиваются. Таким образом, возможно, не слишком удивительно, что, когда внешние «края» этих довольно размытых атомов сближаются, их соответствующие наборы электронов сближаются достаточно, чтобы отталкивать друг друга. Таким образом, согласно этому ответу, «соприкосновение» будет просто делом атомов, сближающихся друг с другом настолько, что их отрицательно заряженные облака электронов начинают сталкиваться друг с другом. Для преодоления этого отталкивания требуется сила, поэтому два объекта «соприкасаются» — обратимо сжимают друг друга, не сливаясь — через электрические поля, окружающие электроны их атомов.

Это звучит ужасно правильно, и это даже правильно ... в ограниченной степени.

Вот один из способов рассмотрения этой проблемы: если заряд был единственной проблемой, то почему некоторые атомы ведут прямо противоположную реакцию, когда их электронные облака сближаются друг с другом? Например, если вы подтолкнете атомы натрия близко к атомам хлора, вы получите два атома, прыгающих, чтобы теснее обнять друг друга, в результате чего высвобождается энергия, которая в больших масштабах часто описывается такими словами, как «БУМ!» Так что здесь явно происходит что-то большее, чем просто отталкивание зарядов, поскольку, по крайней мере, некоторые комбинации электронов вокруг атомов любят прижиматься гораздо ближе друг к другу, а не дальше.

Что же тогда гарантирует, что две молекулы подойдут друг к другу и вместо этого скажут: «Привет, хороший день… но, э-э, не могли бы вы немного отступить, становится душно?»

Это общее сопротивление подходу слишком близко оказывается результатом не столько электрического заряда (который все еще играет роль), сколько эффекта запрета Паули, о котором я упоминал ранее. Исключение Паули часто пропускается в начальных текстах по химии, и, возможно, поэтому такие вопросы, как прикосновение, также часто остаются нерешенными. Без исключения Паули прикосновение — способность двух больших объектов соприкасаться, не сливаясь и не соединяясь, — всегда останется немного загадочным.

Так что же такое исключение Паули? Это просто: очень маленькие, очень простые частицы, которые вращаются (вращаются) очень своеобразным образом, всегда, всегда настаивают на том, чтобы быть чем-то другим, вроде детей в больших семьях, где каждый хочет получить свою уникальную роль, способности или отличия. Но частицы, в отличие от людей, очень простые вещи, поэтому у них очень ограниченный набор вариантов выбора. Когда у них заканчиваются эти простые варианты, у них остается только один вариант: им нужен свой собственный кусочек пространства, отдельно от любой другой частицы. Тогда они будут очень яростно защищать этот кусочек пространства. Именно эта защита своего собственного пространства заставляет большие скопления электронов настаивать на том, чтобы занимать все больше и больше общего пространства, поскольку каждый крошечный электрон вырезает свой собственный уникальный и яростно защищаемый клочок земли.

Частицы, обладающие этим специфическим типом вращения, называются фермионами , а обычная материя состоит из трех основных типов фермионов: протонов, нейтронов и электронов. У электронов есть только одна идентифицирующая черта, которая отличает их друг от друга, а именно то, как они вращаются: против часовой стрелки (называется «вверх») или по часовой стрелке (называется «вниз»). Вы могли бы подумать, что у них есть другие варианты, но это тоже глубокая загадка физики: очень маленькие объекты настолько ограничены в информации, которую они несут, что у них не может быть даже более двух направлений, из которых можно выбирать, когда вращаясь вокруг.

Однако этот вариант очень важен для понимания проблемы связи , с которой необходимо разобраться, прежде чем атомы смогут соприкасаться . Два электрона с противоположными спинами или со спинами, которые можно сделать противоположными друг другу, поворачивая атомы в правильном направлении, не отталкивают друг друга: они притягиваются. На самом деле, они так сильно привлекают, что являются важной частью этого «БУМ!». Я упоминал ранее о натрии и хлоре, у обоих из которых есть одинокие электроны без партнеров по спину, ожидающие. Есть и другие факторы, влияющие на то, насколько энергичен бум, но дело в том, что, пока электроны не сформировали такие красивые, аккуратные пары, им не нужно так много занимать место.

Однако, как только связь произошла — когда атомы находятся в таком расположении, что не оставляет несчастных электронов сидеть без дела, желая вступить в тесные связи, — тогда на первый план выходит территориальный аспект электронов: они начинают яростно защищать свою территорию.

Эта защита территории сначала проявляется в том, как электроны вращаются вокруг атомов, поскольку даже там электроны настаивают на том, чтобы вырезать свои собственные уникальные и физически отдельные орбиты после того, как будет разрешено первое спаривание двух электронов. Как вы можете себе представить, попытка вращаться вокруг атома и в то же время изо всех сил стараться держаться подальше от других пар электронов может привести к довольно сложной геометрии. И это тоже очень хорошо, потому что эти сложные геометрии ведут к тому, что называется химией, где разное количество электронов может проявлять очень разные свойства из-за того, что новые электроны выталкиваются на всевозможные любопытные и часто очень открытые внешние орбиты.

В металлах дело обстоит настолько плохо, что самые отдаленные электроны, по сути, становятся дочерними элементами сообщества, которые носятся вокруг всего металлического кристалла, а не прикрепляются к отдельным атомам. Вот почему металлы так хорошо переносят тепло и электричество. На самом деле, когда вы смотрите в блестящее металлическое зеркало, вы смотрите прямо на самый быстро движущийся из этих электронов. Вот почему в открытом космосе вы должны быть очень осторожны, касаясь двух кусков чистого металла друг с другом, потому что со всеми этими электронами, проносящимися вокруг, два куска вполне могут решить соединиться в один новый кусок металла вместо этого. просто прикосновения. Этот эффект называется вакуумной сваркой, и это пример того, почему вы должны быть осторожны, предполагая, что твердые тела, соприкасающиеся друг с другом, всегда остаются отдельными.

Но многие материалы, такие как вы и ваша кожа, не имеют многих из этих общих электронов, а вместо этого полны пар электронов, которые очень довольны ситуациями, которые у них уже есть, спасибо. И когда такие материалы и такие электроны приближаются, срабатывает эффект запрета Паули, и электроны начинают защищать свою территорию.

Результатом на крупномасштабном уровне является то, что мы называем прикосновением: способность вступать в контакт без легкого проталкивания или слияния, крупномасштабная сумма всех этих отдельных электронов с высоким содержанием, защищающих свои маленькие кусочки дерна.

Итак, напоследок, почему электроны и другие фермионы так отчаянно хотят иметь свои собственные кусочки уникального состояния и пространства? И почему в каждом из когда-либо проводившихся экспериментов это сопротивление слиянию всегда связано с тем специфическим видом вращения, о котором я упоминал, формой вращения, которая настолько минимальна и настолько странна, что ее невозможно описать в обычном трехмерном пространстве? ?

У нас есть фантастически эффективные математические модели этого эффекта. Это связано с антисимметричными волновыми функциями. Эти удивительные модели играют важную роль в таких вещах, как полупроводниковая промышленность, стоящая за всеми нашими современными электронными устройствами, а также химия в целом и, конечно же, исследования в области фундаментальной физики.

Но если вы задаетесь вопросом «почему», это становится намного сложнее. Самый честный ответ, я думаю, «потому что именно это мы и видим: полуспиновые частицы имеют антисимметричные волновые функции, а значит, они защищают свои пространства».

Но на то, чтобы тесно связать их вместе — то, что называется проблемой спиновой статистики, — на самом деле никогда не давался такой ответ, который Ричард Фейнман назвал бы удовлетворительным. На самом деле, он не раз прямо заявлял, что это (и несколько других вопросов квантовой физики) по- прежнему остаются в основном загадками, для которых нам не хватает действительно глубокого понимания того, почему известная нам Вселенная работает именно так.

И именно поэтому, сэр, ваш вопрос "что трогательно?" затрагивает более глубокие тайны физики, чем вы могли себе представить. Это хороший вопрос.

01.07.2012 Приложение

Вот связанный ответ, который я сделал для SE Chemistry . Он затрагивает многие из тех же вопросов, но с большим акцентом на том, почему «спиновое спаривание» электронов позволяет атомам делиться и воровать электроны друг у друга, то есть позволяет им образовывать связи. Это не классическое объяснение связи из учебника, и я использую много неофициальных английских слов, которые не являются математически точными. Но представления физики точны . Я надеюсь, что это поможет лучше интуитивно понять довольно удивительную тайну того, как незаряженный атом (например, хлора) может преодолеть огромное электростатическое притяжение нейтрального атома (например, натрия) и украсть один или несколько его электронов.

Здравый смысл прикосновения можно выразить "научными средствами" как событие, когда обменно-отталкивающее взаимодействие между 2-мя объектами (вы и гик) простирается на какую-то произвольную величину, скажем, 1мэВ. Я оставляю поиск приемлемого порога, который легко измерить, для дальнейшего обсуждения. :)

В качестве полезной эвристики я бы использовал что-то вроде

межмолекулярные силы между поверхностными молекулами тел сравнимы с масштабом взаимно однозначных межмолекулярных сил между соседними{*} молекулами, обусловленными другими компонентами того же тела

Вы можете сделать его немного более строгим, заменив «сопоставимо с» на «не пренебрежимо мало по сравнению с» , если хотите.

Безусловно, должна учитываться любая ситуация, вызывающая незначительную деформацию любого из тел за счет межмолекулярных сил.

{*} В твердом теле --- я сейчас обсуждаю только твердые тела --- каждая молекула поддерживается в примерно постоянном отношении со своими соседями за счет различных электромагнитных сил. Конечно, в равновесии сеть равна нулю (по крайней мере, усредненная по временным шкалам, превышающим временную шкалу теплового движения) и не дает большого масштаба. Но эта сеть представляет собой комбинацию выталкивания и вытягивания от нескольких соседей. Возьмите среднее значение этих взаимодействующих сил в качестве надлежащей шкалы для сравнения.

Ситуация с жидкостями непростая, поскольку биты не фиксированы по отношению друг к другу, но мы, вероятно, можем просто использовать одно и то же локальное среднее величин.

Согласно этим определениям, надоедливый одиннадцатилетний мальчик, о котором идет речь , прикасается к вам и заслуживает того, чтобы его шлепнули по голове и мягко упрекнули в этом высокоразвитом обществе после насилия.

Это очень законный вопрос для того, что мы обычно принимаем как должное.

Я думаю, что можно было бы определить макроскопически касание как ситуацию, в которой общая сила между двумя электрически нейтральными твердыми телами больше, чем чисто гравитационная (для некоторой измеримой величины). Разница, конечно, в нормальной составляющей поверхностной силы плюс трение.

Связанный с этим вопрос: «Как измерить или определить нормальную составляющую поверхностной силы»? Нормальная составляющая, очевидно, определяется косвенно, как противоположность сумме нормальных составляющих всех других сил!

По крайней мере, до тех пор, пока вы не дадите определение «прикосновения» к себе (например, пространственный перенос ДНК), это скорее философский вопрос, чем физический.

Вы упоминаете парадокс Зенона, но к нему можно подходить/интерпретировать по-разному, включая вопросы о «намерении», «сознании», «я» и так далее. Я имею в виду, что на вашей коже огромное количество форм жизни, которые вы считаете «своими». Кроме того, если вы носите перчатки/презерватив, разве они не соприкасаются? Понятие касания столь же сложно, как и понятие точек.

На мой вкус, вы также "слишком буквально воспринимаете физику". Говоря физическими терминами, мы говорим в терминах, включенных в (созданную человеком) физическую теорию. Более того, вам даже не нужна квантово-механическая волновая функция, чтобы заметить, что контакт — это абстрактная вещь. Когда дальнодействующими силами действительно можно пренебречь, кажется, это вопрос, на который следует ответить «никогда» или (и это ответ, который, как мне кажется, подходит лучше всего) с помощью практических оперативных средств.