Ziehen sich Teilchen und Antiteilchen an?

Das grundlegende Verständnis, dass sie gegenseitig aus dem Nichts erschaffen werden und kollidieren, um sich gegenseitig zu vernichten, scheint darauf hinzudeuten, dass dies aufgrund einer Anziehung geschieht.

Warum? Dies bedeutet nur, dass zwei von ihnen in der Nähe sind und sie vernichten können. Denken Sie daran, dass Teilchen Wellen sind und sich daher ziemlich ausbreiten. Sie müssen nicht dazu gebracht werden, mit irgendeiner Kraft zusammenzustoßen, sie müssen nur nahe beieinander sein.

Außerdem sind sie bis auf ihre entgegengesetzte Ladung genau gleich

Nicht wahr. Teilchen-Antiteilchen-Paare haben die gleiche Masse und den gleichen Spin / Isospin (glaube ich), aber sie haben entgegengesetzte Ladung, Baryonenzahl, Leptonenzahl, Seltsamkeit, Charme, Bodenhaftigkeit (und wahrscheinlich mehr Zeug).

Es ist auch nicht zwingend, dass sie eine entgegengesetzte Ladung haben. Sie können beide neutral sein. Zum Beispiel haben das Neutron und alle Neutrinos unterschiedliche Antiteilchen, ebenso das neutrale Kaon (was zu dem seltsamen Symbol führt$\bar{K}^0$). Das neutrale Antikaon hat eine Fremdheit von +1, während das neutrale Kaon eine Fremdheit von -1 hat. (Fremdheit ist eine Eigenschaft, die aufgrund der Beobachtung, dass bestimmte "seltsame" Teilchen immer paarweise oder überhaupt nicht auftraten, ziemlich skurril benannt wurde). Abgesehen davon gibt es Teilchen, die ihr eigenes Antiteilchen sind (Pi-0-Mesonen und alle neutralen Bosonen – Photonen, Gluonen, Z, Higgs, Gravitonen).

Davon abgesehen gibt es nur vier Kräfte (in aufsteigender Reihenfolge ihrer Stärke aufgeführt)

• Schwere.
• Elektromagnetismus. Beachten Sie, dass die Kraft, die beim Drücken einer Wand (normale Reaktionskraft) oder beim Zusammenstoß zweier Kugeln zu spüren ist, eine Manifestation dieser Kraft ist, da die Elektronenwolken von Atomen sich tatsächlich abstoßen. Viele Menschen verwenden diese "Kollisionskraft", wenn sie an Teilchen denken, und das ist falsch. Teilchen kollidieren nicht, sie können nur andere Teilchen austauschen (sowie sich gegenseitig absorbieren/emittieren).
• Schwache Kernkraft: Manifestiert sich in Beta-Zerfällen.
• Starke Kernkraft: Hält Atome zusammen. Gibt Boom-Boom bei nuklearen Explosionen.

Für ein Teilchen-Antiteilchen-Paar gibt es normalerweise eine Art Kraft, und ja, sie wird normalerweise anziehend sein. Aber die Kraft kann in die vier oben angegebenen eingeteilt werden. Da die Schwerkraft schwach ist und immer wirkt, vernachlässige ich sie hier:

• Paar neutraler Hadronen (Neutron, Kaon usw.): Diese haben die starke Kraft zwischen sich. Es gibt auch ein bisschen von der schwachen Kernkraft, obwohl es nicht unbedingt attraktiv ist
• Paar geladener Hadronen (Protonen, Pionen usw.): Hier wirkt sowohl die EM-Kraft als auch die starke Kraft, aber die starke Kraft ist anziehend
• Paar elektronenähnlicher Leptonen (e,$\mu$,$\tau$): Habe EM-Anziehung sowie die schwache Kraft. Die schwache Kraft ist nicht anziehend oder abstoßend, und sie dominiert. Ein Elektron-Positron-Paar muss sich also nicht ständig anziehen
• Paar Neutrinos ($\nu_e$,$\nu_{\tau}$, etc): Nur die schwache Kraft muss nicht anziehen
• Paar Quarks (u,d,c,s,&c): Starke Kraft, EM-Kraft, wenig schwache Kraft, zieht sich an
• Bei Eichbosonen wird es etwas kompliziert.

Also ja, wir können sehen, dass eine allgemeine Anziehungskraft vorherrscht, aber nicht in allen Fällen und nicht aufgrund des gleichen Phänomens.

Warum müssen sie nicht in der Nähe sein?

(Nachtrag aus den Kommentaren unten)

Die Quantenmechanik hat ein nettes Konzept namens Wellen-Teilchen-Dualität. Jedes Teilchen kann als Welle ausgedrückt werden. Tatsächlich sind beide gleichwertig. Was ist das genau für eine Welle? Es ist eine Wahrscheinlichkeitswelle. Damit meine ich, dass es Wahrscheinlichkeiten verfolgt.

Ich gebe ein Beispiel. Nehmen wir an, Sie haben einen Freund, A. Nun, in diesem Moment wissen Sie nicht, wo A ist. Er könnte zu Hause oder bei der Arbeit sein. Alternativ könnte er woanders sein, aber mit geringerer Wahrscheinlichkeit. Sie zeichnen also ein 3D-Diagramm. Die x- und y-Achsen entsprechen dem Standort (Sie können also eine Karte auf der xy-Ebene zeichnen), und die z-Achse entspricht der Wahrscheinlichkeit. Ihr Diagramm wird eine glatte Oberfläche sein, die wie Sanddünen in einer Wüste aussieht. Sie werden "Buckel" oder Dünen bei A's Haus und an A's Arbeitsplatz haben, da es die maximale Wahrscheinlichkeit gibt, dass er dort ist. Sie könnten kleinere Höcker an anderen Orten haben, die er häufig besucht. Es wird winzige, aber endliche Wahrscheinlichkeiten geben, dass er woanders ist (sagen wir, in einem anderen Land). Nehmen wir an, Sie rufen ihn an und fragen ihn, wo er ist. Er sagt, er sei auf dem Heimweg von der Arbeit. So, Ihre Grafik wird neu konfiguriert, sodass sie entlang aller Straßen, die er höchstwahrscheinlich nehmen wird, "Kanten" aufweist. Jetzt ruft er dich an, wenn er nach Hause kommt. Da Sie nun genau wissen, wo er sich befindet, wird es bei seinem Haus einen "Spitzenwert" mit Wahrscheinlichkeit 1 geben (vorausgesetzt, sein Haus hat Punktgröße, sonst gibt es einen hohen Buckel). Fünf Minuten später beschließen Sie, die Grafik neu zu zeichnen. Jetzt sind Sie fast sicher, dass er zu Hause ist, aber vielleicht ist er ausgegangen. Er kann in 5 Minuten nicht weit kommen, also zeichnest du einen Buckel in der Mitte um sein Haus herum, mit Hängen draußen. Im Laufe der Zeit wird dieser Buckel allmählich abflachen. mit Wahrscheinlichkeit 1 bei seinem Haus (vorausgesetzt, sein Haus hat Punktgröße, sonst gibt es einen hohen Buckel). Fünf Minuten später beschließen Sie, die Grafik neu zu zeichnen. Jetzt sind Sie fast sicher, dass er zu Hause ist, aber vielleicht ist er ausgegangen. Er kann in 5 Minuten nicht weit kommen, also zeichnest du einen Buckel in der Mitte um sein Haus herum, mit Hängen draußen. Im Laufe der Zeit wird dieser Buckel allmählich abflachen. mit Wahrscheinlichkeit 1 bei seinem Haus (vorausgesetzt, sein Haus hat Punktgröße, sonst gibt es einen hohen Buckel). Fünf Minuten später beschließen Sie, die Grafik neu zu zeichnen. Jetzt sind Sie fast sicher, dass er zu Hause ist, aber vielleicht ist er ausgegangen. Er kann in 5 Minuten nicht weit kommen, also zeichnest du einen Buckel in der Mitte um sein Haus herum, mit Hängen draußen. Im Laufe der Zeit wird dieser Buckel allmählich abflachen.

Also was habe ich hier beschrieben? Es ist eine Wellenfunktion (technisch das Quadrat einer Wellenfunktion) oder die "Wellen" -Natur eines Teilchens. Die Wellenfunktion kann sich rekonfigurieren und auch zu einem "Peak" "kollabieren", je nachdem, welche Daten Sie erhalten.

Nun hat alles eine Wellenfunktion. Du, ich, ein Haus und Partikel. Sie und ich haben eine sehr eingeschränkte Wellenfunktion (aufgrund der winzigen Wellenlänge, aber gehen wir nicht darauf ein), und wir müssen die Wellennatur selten (sprich: nie) bei normalen Skalen berücksichtigen. Aber für Teilchen wird die Wellennatur zu einem integralen Bestandteil ihres Verhaltens.

Im nächsten Absatz vereinfache ich einige Dinge mit den Wellenfunktionen und vernachlässige einen Teil ihrer Natur, nur damit meine Arbeit einfacher wird

Zurück zum Problem. Nun, unser Teilchen und unser Antiteilchen sind beide Wellen. Sie haben einen kleinen Höcker, können aber ziemlich ausgebreitet sein. Nun nähern sich diese Wellen einander an. Denken Sie daran, dass der Wert der Welle (eigentlich das Quadrat ihres Moduls, da eine Wellenfunktion eine komplexe Zahl ist) die Wahrscheinlichkeit angibt, mit der wir ein Teilchen an einem Punkt finden können. Wenn die Wellenfunktionen sind$\Psi_1(x,y),\Psi_2(x,y)$, ist die Wahrscheinlichkeit, beide Teilchen am gleichen Punkt zu finden$\Psi_1(x,y)\times\Psi_2(x,y)$(normale Wahrscheinlichkeitsregeln). Jetzt haben Sie eine ganze Reihe von Punkten, an denen beide Wellenfunktionen existieren (eigentlich unendlich, und technisch gesehen sind beide Wellenfunktionen über das ganze Universum verteilt, aber das vernachlässige ich). Addieren Sie diese Wahrscheinlichkeiten

Selbst wenn sich Teile der beiden Wellenfunktionen überlappen, besteht also eine nicht triviale Wahrscheinlichkeit, dass sie sich gegenseitig aufheben. Wie ich schon sagte, decken die Wellenfunktionen tatsächlich den gesamten Raum ab, aber wenn wir diese Teile vernachlässigen (sie sind extrem klein), dann ist die "Größe" der Welle immer noch ziemlich groß. Ein Teilchen/Antiteilchen-Paar muss also nicht zu nahe an der Vernichtung sein.

In der Teilchenphysik, der Mikrokosmos-Version der Alltagsphysik, haben wir vier "bekannte" Kräfte.

1) Gravitation: eine Anziehungskraft, abhängig von der Masse.

2) elektromagnetisch

diese beiden haben auch makroskopische Manifestationen.

3) schwach, das beim Zerfall von Teilchen auftritt

4) stark, das die Quelle der Kernkräfte ist und die Quarks zu Nukleonen bindet

All diese Kräfte sind beteiligt, wenn zwei Elementarteilchen aufeinander treffen, und was passiert, wenn sie wechselwirken, hängt von der Energie ab, die sie haben, und von den Quantenzahlen, die sie tragen. Es gibt spezifische Berechnungen, die über die wahrscheinlichen Ergebnisse der Interaktion angestellt werden können.

Nehmen wir ein Elektron und ein Positron, Antiteilchen voneinander. Die elektrische Kraft zwischen ihnen ist anziehend; Insbesondere wenn die Energie zu klein ist, vernichten sie sich in zwei Photonen. Wenn ihnen genügend Energie gegeben wird, vernichten sie sich immer noch, und eines der möglichen Ergebnisse, wie im ersten Diagramm gezeigt, ist ein Quark-Antiquark-Paar durch ein zwischengeschaltetes Photon. Viele und verschiedene derartige Diagramme können erstellt werden und werden erstellt. Die Interaktion als attraktiv zu qualifizieren, ist die geringste ihrer Qualitäten.

Wenn ein Antiproton auf ein Proton trifft, ist die elektrische Kraft anziehend, aber sobald sie sich in Kernentfernungen befindet, tritt die starke Kraft auf und dominiert durch Quark-Vernichtung. Auch hier hat es wenig Bedeutung, es "eine anziehende Kraft" zu nennen. Die Energie der Wechselwirkung und die Quantenzahlen der Zerfallsprodukte dominieren die Beschreibung der Wechselwirkung.

Im Allgemeinen bedeutet "Kraft" in der Teilchenphysik das möglicherweise ausgetauschte Teilchen in den Feynman-Diagrammen, die die Wechselwirkung beschreiben. Attraktiv oder abstoßend ist keine gute Qualifikation. Am LHC streut man zum Beispiel Protonen an Protonen und erhält als Output den ganzen Zoo der Standard-Modellteilchen. Welche Bedeutung hat der Zusatz "abstoßend", den die makroskopischen Kräfte zwischen zwei positiven Ladungen geben würden?