Warum stoßen sich gleiche/entgegengesetzte elektrische Ladungen ab bzw. ziehen sich an?

Nun, es hat nichts mit dem Higgs zu tun, aber es liegt an einigen tiefen Tatsachen in der speziellen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik , die bekannt sind. Leider weiß ich nicht, wie ich die Erklärung wirklich einfach machen soll, abgesehen von einigen grundlegenderen Fakten. Vielleicht hilft dir das weiter, vielleicht auch nicht, aber das ist derzeit die grundlegendste bekannte Erklärung. Ohne die Mathematik ist es schwierig, dies wirklich überzeugend zu machen (dh es so unvermeidlich erscheinen zu lassen, wie es ist):

• Teilchen und Kräfte werden heute als Ergebnis von Feldern verstanden . Quantenfelder um genau zu sein. Ein Feld ist ein mathematisches Objekt, das an jedem Punkt im Raum und zu jedem Zeitpunkt einen Wert annimmt. Quantenfelder sind Felder, die Energie und Impuls tragen und den Regeln der Quantenmechanik gehorchen. Eine Folge der Quantenmechanik ist, dass ein Quantenfeld Energie in diskreten "Klumpen" trägt. Wir nennen diese Klumpen Partikel . Das erklärt übrigens auch, warum alle gleichartigen Teilchen (z. B. alle Elektronen) identisch sind: Sie sind alle Klumpen im selben Feld (z. B. dem Elektronenfeld).

• Die Felder nehmen Werte in verschiedenen Arten von mathematischen Räumen an, die durch die spezielle Relativitätstheorie klassifiziert sind. Das einfachste ist ein Skalarfeld . Ein Skalarfeld ist eine einfache Zahl an jedem Punkt in Raum und Zeit. Eine andere Möglichkeit sind Vektorfelder : Diese ordnen jedem Punkt in Raum und Zeit einen Vektor (einen Pfeil mit Betrag und Richtung) zu. Es gibt auch exotischere Möglichkeiten. Der Jargonbegriff, um sie alle zu klassifizieren, ist Spin , der in Einheiten von einer Hälfte angegeben wird. Sie können also Spinfelder haben$0, \frac{1}{2}, 1, \frac{3}{2}, 2, \cdots$. Drehen$0$sind die Skalare und der Spin$1$sind die Vektoren.

• Es stellt sich heraus (das ist eine weitere Konsequenz der Relativitätstheorie), dass Teilchen mit halbzahligem Spin ($1/2, 3/2, \cdots$) gehorchen dem Pauli - Ausschlussprinzip . Dies bedeutet, dass keine zwei identischen Teilchen mit Spin$1/2$kann den gleichen Platz einnehmen. Dies bedeutet, dass sich diese Partikel oft so verhalten, wie Sie es von klassischen Partikeln erwarten . Wir nennen diese Materieteilchen, und alle Grundbausteine ​​der Welt (Elektronen, Quarks etc.) sind Spin$1/2$.

• Andererseits gehorchen Teilchen mit ganzzahligem Spin der Bose-Einstein-Statistik (wieder eine Folge der Relativitätstheorie). Dies bedeutet, dass diese Teilchen "gerne zusammen sind", und viele von ihnen können zusammenkommen und große wellenartige Bewegungen aufbauen, die klassischen Feldern ähnlicher sind als Teilchen. Dies sind die Kraftfelder; die entsprechenden Teilchen sind die Kraftträger. Beispiele: drehen$0$Higgs, drehen$1$Photonen, schwache Kraftteilchen$W^\pm, Z$, und die starken Kraftträger die Gluonen und den Spin$2$das Graviton, Träger der Schwerkraft. (Diese und die vorherige Tatsache werden als Spin-Statistik-Theorem bezeichnet .)

• Nun die Wechselwirkung zwischen zwei Teilchen mit "Ladungen"$q_{1,2}$geht wie$\mp q_1 q_2$für alle Kräfte ( das ist eine Folge der Quantenmechanik), aber das Vorzeichen ist schwierig zu erklären. Aufgrund der speziellen Relativitätstheorie muss die Wechselwirkung zwischen einem Teilchen und einem Kraftträger abhängig vom Spin des Kraftträgers eine bestimmte Form annehmen (dies hat mit der Art und Weise zu tun, wie Raum und Zeit zu einem einzigen Ding namens Raumzeit vereint werden ). Für jede Spineinheit, die der Kraftträger hat, muss man ein Minuszeichen einbringen (dieses Minuszeichen kommt von einer Sache namens „ Metrik “, die einem in der Relativitätstheorie sagt, wie man Entfernungen in der Raumzeit berechnet; insbesondere sagt es einem, wie Raum und Zeit unterschiedlich sind und wie ähnlich sie sind). Also zum Schleudern$0$du bekommst ein$-$: Gleiche Ladungen ziehen sich an. Zum Schleudern$1$du bekommst ein$+$: wie Ladungen abstoßen! Und zum Schleudern$2$du bekommst ein$-$Nochmals: Gleiche Ladungen ziehen sich an. Für die Schwerkraft wird die "Ladung" normalerweise als Masse bezeichnet, und alle Massen sind positiv. Sie sehen also, dass die Schwerkraft universell anziehend ist!

Letztlich kommt dieses Zeichen also daher, dass Photonen eine Spineinheit tragen und dass die Wechselwirkungen zwischen Photonen und Materieteilchen den Regeln der speziellen Relativitätstheorie gehorchen müssen. Beachten Sie das bemerkenswerte Zusammenspiel von Relativitätstheorie und Quantenmechanik bei der Arbeit. Zusammengenommen sind diese beiden Prinzipien viel einschränkender als jedes von ihnen einzeln! Es ist in der Tat bemerkenswert, dass sie überhaupt miteinander auskommen. Eine poetische Art zu sagen, dass die Welt ein zarter Tanz zwischen diesen beiden Partnern ist.

Warum ziehen sich Atome und Moleküle im Allgemeinen an? Das ist eigentlich eine kompliziertere Frage! ;) (Weil viele Teilchen beteiligt sind.) Die Kraft zwischen Atomen ist die verbleibende elektrische Kraft, die übrig bleibt, nachdem sich die Elektronen und Protonen fast gegenseitig aufgehoben haben. Man kann sich das so vorstellen: Die Elektronen eines Atoms werden von den Kernen beider Atome angezogen und gleichzeitig von den anderen Elektronen abgestoßen. Wenn also die anderen Elektronen ein wenig weggedrückt werden, entsteht ein leichtes Ladungsungleichgewicht im Atom, und nachdem alle Details ausgearbeitet sind, führt dies zu einer Nettoanziehungskraft, die als Dispersionskraft bezeichnet wird. Abhängig von den Details der Konfiguration der beteiligten Atome/Moleküle gibt es verschiedene Arten von Dispersionskräften (London, van der Waals usw.). Aber sie sind alle im Grunde auf elektrostatische Restwechselwirkungen zurückzuführen.

Weiterführende Literatur: Ich empfehle Matt Strasslers pädagogische Artikel über Teilchenphysik und Feldtheorie. Er leistet großartige Arbeit darin, Dinge auf ehrliche Weise ohne oder mit sehr wenig Mathematik zu erklären. Das Argument, das ich oben durchgegangen bin, wird in gewisser Weise in fast jedem Lehrbuch über Quantenfeldtheorie behandelt, aber eine besonders klare Darlegung in diese Richtung (einschließlich der Mathematik) findet sich in Zees Quantum Field Theory in a Nutshell. Hier würde ich empfehlen, anzufangen, wenn Sie dieses Zeug, Mathematik und alles, ehrlich lernen wollen, aber dies ist ein fortgeschrittenes Physik-Lehrbuch (obwohl es in einem wunderbaren, sehr zugänglichen Stil geschrieben ist), sodass Sie wahrscheinlich mindestens zwei Jahre Grundstudium benötigen Physik als Hauptfach und eine konzertierte Anstrengung, um darin voranzukommen.

Eine experimentelle Antwort:

Warum stoßen sich gleiche/entgegengesetzte elektrische Ladungen ab bzw. ziehen sich an?

Weil sorgfältige Physiker unzählige Beobachtungen gemacht und festgestellt haben, dass die Natur dies tut. Es gibt eine lange Geschichte von Beobachtungen, bevor irgendeine Theorie gefestigt werden konnte. Sie beobachteten das Verhalten der Anziehung bei einigen Arten, der Abstoßung bei anderen und definierten + und -, um die beiden Sätze zu trennen.

Die klassische elektromagnetische Theorie modellierte das Verhalten von Ladungen sehr gut mit den Maxwell-Gleichungen . Sie zeigen, wie, wenn positive und negative Ladungen in der Natur existieren, diese mit genauen mathematischen Lösungen der Gleichungen modelliert werden können und man könnte denken, dass Ihr „Warum“ mit „weil sie die Maxwell-Gleichungen erfüllen“ beantwortet würde.

Dann kam die Quantenmechanik als revolutionäre mathematische Theorie, um Phänomene zu beschreiben, die im Mikrokosmos gemessen wurden, einschließlich geladener Elementarteilchen, und es wurde eine Theorie entwickelt, wie in Michael Browns Antwort oben erklärt, die wiederum das Verhalten geladener Teilchen und Ihr „Warum“ sehr gut modelliert “ kann mit „weil sie quantenelektrodynamische Gleichungen erfüllen“ beantwortet werden.

Sie müssen dann erkennen, dass das „Warum sich entgegengesetzte Ladungen anziehen“ mit der Antwort „Weil wir das beobachtet haben“ zu „Weil wir die Beobachtungen erfolgreich mathematisch modelliert haben“ wird. Dann stellt sich die Frage, warum dieses mathematische Modell, und die Antwort lautet "weil es die Beobachtungen beschreibt", zirkulär.

Ich weise darauf hin, dass Warum-Fragen nicht mit Physik beantwortet werden können. Mit Postulaten lässt sich die Physik erfolgreich mathematisch modellieren und anhand des Modells kann man zeigen, wie das Verhalten positiver und negativer Ladungen unter allen möglichen experimentellen Bedingungen genau vorhergesagt werden kann, aber nicht „warum“ sie existieren. Das Warum bekommt die Antwort „weil wir die Natur dazu beobachtet haben“.

Nun, die gegenseitige Abstoßung gleicher Teilchen, wie zum Beispiel Elektronen, wird allgemein als Folge von "Austauschteilchen" erklärt, die die vier Standardkräfte des Standardmodells vermitteln. Für die elektromagnetische Kraft (Coulomb) zwischen gleichen Ladungen (Elektronen) ist das Austauschteilchen das Photon.

Zwei benachbarte Elektronen "tauschen" miteinander ein Photon aus (hin und her), was zur gegenseitigen Abstoßung führt.

Stellen Sie sich zwei Schlittschuhläufer vor, die sich auf glattem Eis gegenüberstehen. Angenommen, sie werfen sich eine 12# Bowlingkugel hin und her; Nun, vielleicht wäre ein "Medizinball" sicherer.

Das Ergebnis des "Austauschens" des Balls vor und zurück ist, dass die Reaktion beim Zuwerfen des Balls zum anderen dazu führt, dass sich beide Skater voneinander entfernen. Je weiter sie voneinander entfernt sind, desto schwieriger wird es für sie, den Ball auszutauschen, und die abstoßende Kraft zwischen ihnen sinkt.

Jede der vier Naturkräfte hat ihr Austauschteilchen; das Photon, das die EM-Kraft vermittelt. Ich lasse das OP herausfinden, was die anderen drei sind.

Es dreht sich alles um die Energie, in dem Sinne, dass alles positive oder negative Energie ist. Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an, um den Energiemangel oder -überschuss zu ergänzen.