Domanda:
Cosa significa "toccare" due oggetti?
Thomas Shields
2012-04-15 21:55:25 UTC
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Se sei mai stato fastidiosamente stuzzicato da un disadattato, potresti avere familiarità con la risposta odiosa semi-nerd di

"Non sono in realtà ti sto toccando! Gli elettroni negli atomi della mia pelle si stanno avvicinando molto vicini ai tuoi! "

Espandendo un po 'questo aspetto, sembra che l'odioso secchione è giusto. Dopotutto, considera il paradosso di Zenone. Ogni volta che provi a toccare due oggetti insieme, devi portarli a metà, poi a un quarto, ecc. In altre parole, c'è sempre una distanza infinitesimale tra i due oggetti.

Gli atomi non si "toccano" l'un l'altro; anche i protoni e i neutroni nel nucleo di un atomo non si "toccano" l'un l'altro.

Allora cosa significa che due oggetti si toccano?

  1. Gli atomi che si uniscono per formare una molecola "toccano"? Suppongo che gli atomi si stiano toccando, perché sono in qualche modo sovrapposti, ma le particelle subatomiche stanno solo sfrecciando intorno evitando a vicenda. Se questo è il caso, il "tocco" dovrebbe essere definito solo in relazione a un contesto? Cioè, se tocco la tua mano, le nostre mani si toccano, ma a meno che tu non raccolga parte del mio DNA, le molecole nelle nostre mani non si toccano? E poiché le molecole non cambiano, nemmeno gli atomi si toccano?
  2. Non esiste davvero qualcosa come "toccare"?
Un po 'morbido e filosofico, ma penso che ci sia sia (a) un po' di fisica reale qui e (b) una possibilità di illuminare la mentalità che i fisici portano a questo tipo di domande.
@dmckee è d'accordo. Attualmente lo capisco come la mia seconda domanda sotto 1) - che "toccare" è relativo al contesto - che è una mentalità interessante da avere
BTW * "anche i protoni ei neutroni nel nucleo di un atomo non si" toccano "l'un l'altro" * sta entrando in un territorio difficile. È difficile dare una buona definizione per la "dimensione" di questi oggetti in primo luogo, ma la densità di un nucleo pesante è molto simile a quella di un nucleone solitario, e i nuclei mostrano alcuni comportamenti che hanno suggerito ai primi fisici nucleari che il i nucleoni si sono fusi in un blob. Cerca il "modello a goccia liquida" (ora ampiamente deprecato).
Il tocco è un epifenomeno di due raccolte degenerate di fermioni freddi che si chiudono e producono una forza di scambio. È acuto nella misura in cui la funzione d'onda elettronica è localizzata. Ma le due eletron in He si toccano? Gli elettroni al neon? Che ne dici di un neutrone che attraversa un muro?
"Touch è un epifenomeno di due collezioni di fermioni freddi degeneri che si chiudono e producono una forza di scambio" Odio differire, ma non è così che credo sia descritto nei romanzi romantici ...
Non credo che qui sia utile menzionare il paradosso di Zenone. Il "paradosso" si basa su un malinteso (anche se interessante) e di conseguenza ha una soluzione.
Minute Physics (su YouTube) ha appena fatto un video su questo argomento: http://www.youtube.com/watch?v=BksyMWSygnc
Vsauce il video di YouTube [_You Can't Touch Anything_] (http://www.youtube.com/watch?v=yE8rkG9Dw4s).
Cinque risposte:
#1
+122
Terry Bollinger
2012-04-16 09:43:58 UTC
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Wow, a questa è già stata data una risposta eccessiva, lo so ... ma è una domanda così divertente ! Quindi, ecco una risposta che non è stata ancora "toccata" ... :)

Lei, signore, qualunque sia la sua età (chiunque abbia bambini saprà cosa intendo), hanno chiesto una risposta a una delle domande più profonde della meccanica quantistica. Nel dialetto della fisica quantistica dell'Alto Nerdese, la tua domanda si riduce a questa: perché le particelle di spin semi-intero mostrano l ' esclusione di Pauli , ovvero perché rifiutano di essere nello stesso stato, incluso la stessa posizione nello spazio, allo stesso tempo?

Hai ragione sul fatto che la materia nel suo insieme è principalmente spazio. Tuttavia, l'esempio specifico di atomi legati probabilmente non è tanto un esempio di contatto quanto di legame . Sarebbe l'equivalente di un figlio di 10 anni non solo che picchia la sorella di 12 anni, ma la picchia con la supercolla sulla mano , il che è un reato notevolmente più drastico che io non credo che qualcuno si divertirebbe molto.

Toccare, al contrario, significa che devi spingere - cioè esercitare una vera energia - per creare i due oggetti contattarsi. E in modo caratteristico, dopo quella spinta, i due oggetti rimangono separati (nella maggior parte dei casi) e persino legati un po 'indietro dopo aver stabilito il contatto.

Quindi, penso che si possa discutere che la vera domanda dietro "cosa tocca?" è "perché gli oggetti solidi non vogliono essere compressi quando si tenta di unirli insieme?" Se non fosse così, l'intero concetto di toccare cade a pezzi. Nel migliore dei casi diventeremmo tutti entità spettrali che non possono entrare in contatto tra loro, un po 'come Chihiro mentre cerca di respingere Haku durante il loro secondo incontro in La Città Incantata .

Ora con quello come versione più nitida della query, perché non oggetti che tali persone non si limitano a lampeggiare l'uno nell'altro quando si incontrano, soprattutto perché sono (come notato) quasi interamente fatti di spazio vuoto?

Ora la risposta riflessa - e non è male - è probabilmente la carica elettrica. Questo perché sappiamo tutti che gli atomi sono nuclei positivi circondati da elettroni caricati negativamente e che le cariche negative si respingono. Quindi, detto in questo modo, forse non è troppo sorprendente che, quando i "bordi" esterni di questi atomi piuttosto sfocati si avvicinano troppo, i rispettivi gruppi di elettroni si avvicinano abbastanza da respingersi a vicenda. Quindi, con questa risposta, "toccare" sarebbe semplicemente una questione di atomi che si avvicinano così tanto l'uno all'altro che le loro nuvole di elettroni caricate negativamente iniziano a sbattere l'una contro l'altra. Questa repulsione richiede forza per essere superata, quindi i due oggetti si "toccano" - si comprimono in modo reversibile senza fondersi - attraverso i campi elettrici che circondano gli elettroni dei loro atomi.

Questo suona terribilmente giusto, e anche è giusto ... in misura limitata.

Ecco un modo per pensare al problema: se l'addebito era l'unico problema coinvolto, allora perché alcuni atomi hanno esattamente la reazione opposta quando le loro nuvole di elettroni vengono avvicinate l'una all'altra? Ad esempio, se spingi gli atomi di sodio vicino agli atomi di cloro, ciò che ottieni sono i due atomi che saltano per abbracciarsi più strettamente, con un conseguente rilascio di energia che su scale più grandi è spesso descritto da parole come "BOOM!" Quindi chiaramente qui sta succedendo qualcosa di più della semplice repulsione della carica, poiché almeno alcune combinazioni di elettroni attorno agli atomi amano avvicinarsi l'una all'altra invece che più lontano.

Ciò che, quindi, garantisce che due le molecole si avvicineranno l'una all'altra e invece diranno "Ciao, bella giornata ... ma, ehm, potresti tirarti indietro un po ', sta diventando soffocante?"

Quella resistenza generale ad avvicinarsi troppo risulta essere il risultato non tanto della carica elettrica (che svolge ancora un ruolo), ma piuttosto dell'effetto di esclusione Pauli di cui ho parlato prima. L'esclusione di Pauli viene spesso saltata all'inizio dei testi sulla chimica, motivo per cui anche questioni come il significato del toccare vengono spesso lasciate un po 'penzoloni. Senza l'esclusione di Pauli, il tocco - l'abilità di due grandi oggetti di entrare in contatto senza fondersi o unirsi - rimarrà sempre un po 'misterioso.

Allora cos'è l'esclusione di Pauli? È proprio questo: particelle molto piccole, molto semplici che girano (ruotano) in un modo molto particolare sempre, sempre insistono per essere diversi in qualche modo, un po 'come i bambini di famiglie numerose dove tutti vogliono il loro unico ruolo o abilità o distinzione. Ma le particelle, a differenza delle persone, sono cose molto semplici, quindi hanno solo un insieme molto limitato di opzioni tra cui scegliere. Quando esauriscono quelle semplici opzioni, hanno solo un'opzione rimasta: hanno bisogno del loro pezzo di spazio, oltre a qualsiasi altra particella. Quindi difenderanno quel pezzo di spazio molto ferocemente. È quella difesa del proprio spazio che porta grandi collezioni di elettroni a insistere per occupare sempre più spazio complessivo, poiché ogni piccolo elettrone si ritaglia il proprio pezzo di tappeto erboso unico e ferocemente difeso.

Particelle che hanno questo particolare tipo di spin sono chiamati fermioni e la materia ordinaria è composta da tre tipi principali di fermioni: protoni, neutroni ed elettroni. Per gli elettroni, c'è solo una caratteristica identificativa che li distingue l'uno dall'altro, ed è così che ruotano: in senso antiorario (chiamato "su") o in senso orario (chiamato "giù"). Si potrebbe pensare che avrebbero altre opzioni, ma anche questo è un profondo mistero della fisica: gli oggetti molto piccoli sono così limitati nelle informazioni che trasportano che non possono nemmeno avere più di due direzioni tra cui scegliere quando girando intorno.

Tuttavia, questa opzione è molto importante per comprendere la questione del legame che deve essere affrontata prima che gli atomi possano impegnarsi nel toccare . Due elettroni con spin opposti, o con spin che possono essere opposti l'uno all'altro girando gli atomi nel modo giusto, non si respingono: si attraggono. In effetti, attraggono così tanto che sono una parte importante di quel "BOOM!" Ho accennato in precedenza a sodio e cloro, che hanno entrambi elettroni solitari senza partner di spin, in attesa. Ci sono altri fattori sull'energia del boom, ma il punto è che, finché gli elettroni non hanno formato coppie così belle e pulite, non hanno bisogno di occupare lo spazio.

Una volta che il legame è è successo, tuttavia, una volta che gli atomi si sono organizzati in modo da non lasciare elettroni infelici in giro desiderosi di impegnarsi in legami stretti, allora l'aspetto territoriale degli elettroni viene in primo piano: iniziano a difendere ferocemente il loro territorio.

Questa difesa del tappeto erboso si manifesta per la prima volta nel modo in cui gli elettroni orbitano attorno agli atomi, poiché anche lì gli elettroni insistono nel ritagliarsi le proprie orbite e fisicamente separate uniche, dopo che il primo accoppiamento di due elettroni è stato risolto. Come puoi immaginare, provare ad orbitare attorno a un atomo mentre allo stesso tempo sforzandoti di stare lontano da altre coppie di elettroni può portare a geometrie piuttosto complicate. E anche questa è un'ottima cosa, perché quelle geometrie complicate portano a qualcosa chiamata chimica, in cui un numero diverso di elettroni può esibire proprietà molto diverse a causa di nuovi elettroni che vengono spremuti in ogni sorta di orbite esterne curiose e spesso altamente esposte.

Nei metalli, diventa così grave che gli elettroni più esterni diventano essenzialmente bambini della comunità che sfrecciano attorno all'intero cristallo di metallo invece di attaccarsi a singoli atomi. Ecco perché i metalli trasportano così bene il calore e l'elettricità. Infatti, quando guardi uno specchio metallico lucido, stai guardando direttamente il movimento più veloce di questi elettroni a livello di comunità. È anche il motivo per cui, nello spazio esterno, devi stare molto attento a toccare due pezzi di metallo pulito tra loro, perché con tutti quegli elettroni che sfrecciano intorno, i due pezzi potrebbero benissimo decidere di legarsi in un unico nuovo pezzo di metallo invece di solo toccare. Questo effetto è chiamato saldatura a vuoto ed è un esempio del motivo per cui devi stare attento a presumere che i solidi che entrano in contatto rimarranno sempre separati.

Ma molti materiali, come te e la tua pelle, non lo fanno. Ho molti di questi elettroni della comunità e sono invece pieni di coppie di elettroni che sono molto contenti delle situazioni che hanno già, grazie. E quando questi tipi di materiali e questi tipi di elettroni si avvicinano, l'effetto di esclusione di Pauli prende piede e gli elettroni diventano molto difensivi del loro territorio.

Il risultato a livello su larga scala è ciò che chiamiamo toccare: la capacità di entrare in contatto senza passare o fondersi facilmente, una somma su larga scala di tutti quegli elettroni individuali ad alto contenuto che difendono i loro piccoli pezzi di terreno.

Quindi, per finire, perché gli elettroni e altri fermioni vogliono così disperatamente avere i loro pezzi di stato e spazio unici tutti per se stessi? E perché, in ogni esperimento mai fatto, questa resistenza alla fusione è sempre associata a quel particolare tipo di rotazione che ho menzionato, una forma di rotazione così minima e così strana che non può essere del tutto descritto all'interno dello spazio tridimensionale ordinario?

Abbiamo modelli matematici straordinariamente efficaci di questo effetto. Ha a che fare con le funzioni d'onda antisimmetriche. Questi fantastici modelli sono strumentali a cose come l'industria dei semiconduttori dietro tutti i nostri dispositivi elettronici moderni, così come la chimica in generale e, naturalmente, la ricerca sulla fisica fondamentale.

Ma se chiedi il "perché" domanda, diventa molto più difficile. La risposta più onesta è, penso, "perché questo è ciò che vediamo: le particelle a mezzo spin hanno funzioni d'onda antisimmetriche, e questo significa che difendono i loro spazi."

Ma collegare i due insieme strettamente - qualcosa chiamato il problema delle statistiche di spin - non ha mai ricevuto una risposta in un modo che Richard Feynman avrebbe definito soddisfacente. In effetti, ha dichiarato categoricamente più di una volta che questo (e molti altri elementi della fisica quantistica) erano ancora fondamentalmente misteri per i quali ci mancavano intuizioni veramente profonde sul perché l'universo che conosciamo funzioni in quel modo.

E questo, signore, è il motivo per cui la sua domanda su "cosa tocca?" tocca più profondamente misteri profondi della fisica di quanto tu possa aver realizzato. È una buona domanda.


2012-07-01 Addendum

Ecco una risposta correlata che ho fatto per S.E. Chimica. Tocca molte delle stesse questioni, ma con maggiore enfasi sul perché "l'accoppiamento di spin" degli elettroni consente agli atomi di condividere e rubare elettroni gli uni agli altri, cioè consente loro di formare legami. Non è una classica spiegazione da manuale del legame e utilizzo molte parole inglesi informali che non sono matematicamente accurate. Ma i concetti di fisica sono accurati. La mia speranza è che possa fornire una migliore sensazione intuitiva per il mistero piuttosto straordinario di come un atomo non carico (ad esempio il cloro) possa superare la tremenda attrazione elettrostatica di un atomo neutro (ad esempio il sodio) per rubare uno o più dei suoi elettroni.

questa è una * sorprendente * risposta. Non sono nuovo alla fisica, quindi questa è stata sia un'affascinante recensione dei miei anni di chimica ma anche una spiegazione favolosa. Non posso credere di non aver pensato al principio di esclusione di Pauli!
Thomas, grazie, felice che ti sia piaciuta la mia risposta. Mi sono divertito anche a scriverlo!
Questa sarebbe un'ottima risposta se non alcune gravi inesattezze: in primo luogo, è sbagliato dire "le particelle ruotano (ruotano)".La rotazione non ha senso per un oggetto puntiforme, si limita a _ha spin_, ma non ruota.Secondo, gli elettroni da soli non si attraggono mai.Si respingono sempre.Anche se dimentichiamo l'antisimmetrizzazione delle funzioni d'onda, il sistema di due protoni e due elettroni avrà stati legati.Quindi, l'attrazione è piuttosto un effetto collettivo di elettroni e nuclei, non solo elettroni esclusi da Pauli.Infine, "orbitare" è una formulazione molto povera di come si muovono gli elettroni.
Ciao Ruslan: Sì, un po 'difficile da ruotare particella puntiforme, non è vero?C'è una bella storia su come Pauli sia costato un premio Nobel a un povero ragazzo condannando la sua idea di un "elettrone rotante" così brutalmente che il compagno si è ribaltato completamente e per sempre dopo aver attaccato chiunque avesse ripetuto l'idea ... anche dopo _Pauli_ allorasi è capovolto e ha preso la, ehm, soluzione di compromesso che anche se una particella puntiforme non può "ruotare", può in qualche modo avere una versione quantizzata del nomento angolare.I giochi di parole diventano divertenti, dal momento che è molto meno che chiaro come entrambe le frasi possano essere applicate.
#2
+16
Boris
2012-04-15 22:14:26 UTC
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Il senso comune del contatto può essere espresso in "mezzi scientifici" come un evento in cui l'interazione di scambio-repulsione tra 2 oggetti (tu e il disadattato) estende un valore arbitrario, ad esempio 1 meV. Lascio trovare una soglia gradevole che sia facile da misurare alla discussione successiva. :)

#3
+12
dmckee --- ex-moderator kitten
2012-04-15 22:12:55 UTC
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Come euristica utilizzabile, andrei con qualcosa sulla falsariga di

le forze intermolecolari tra le molecole di superficie dei corpi sono paragonabili alla scala delle forze intermolecolari uno-a-uno tra molecole {*} vicine dovute ad altri componenti dello stesso corpo

Potresti renderlo un po 'più rigido sostituendo "paragonabile a" con "non trascurabile in confronto a" se lo si desidera.

Certamente deve essere considerata qualsiasi situazione che generi deformazioni non trascurabili di uno dei due corpi attraverso forze intermolecolari.


{*} In un solido --- e per il momento sto solo discutendo di solidi --- ogni molecola è mantenuta in una relazione approssimativamente costante con le sue vicine da una varietà di forze elettromagnetiche. Ovviamente all'equilibrio la rete è zero (almeno mediata su scale temporali più lunghe della scala temporale del moto termico) e non fornisce molta scala. Ma quella rete è una combinazione di spinte e tirate da più vicini. Prendi la media delle grandezze di queste forze uno a uno come scala corretta per il confronto.

La situazione nei fluidi non è semplice in quanto i bit non sono fissi relazione tra loro, ma probabilmente possiamo usare la stessa media locale di grandezze.


Secondo queste definizioni il fastidioso ragazzino di undici anni in questione ti sta toccando e merita di essere preso a schiaffi gentilmente rimproverato in questa società post-violenza altamente sviluppata.

potresti spiegare cosa intendi per "forze intermolecolari di equilibrio" in opposizione alle sole "forze intermolecolari"? Potrei perdere qualcosa di veramente ovvio qui, non sono un genio della fisica, ma scusa se è davvero semplice. :)
@ThomasShields Questa è un'ottima domanda, poiché mi sono appena reso conto che è mal definita. Modifica a breve.
quella modifica aiuta davvero. In (super) somma, stai dicendo che A tocca B se B deve mostrare una resistenza non trascurabile a quella forza?
@ThomasShields. Sì, più o meno. Ma a proposito del mio commento * "illumina la mentalità" * sopra il primo che ho cercato era una scala naturale nel sistema con cui confrontare "trascurabile".
Che dire del caso dei fluidi non newtoniani, dove la viscosità cambia su scale temporali apprezzabili per la percezione umana?
#4
+5
Pygmalion
2012-04-16 00:01:50 UTC
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Questa è una domanda molto legittima per qualcosa che di solito diamo per scontato.

Penso che sarebbe possibile definire macroscopicamente toccante come la situazione in cui la due corpi rigidi elettricamente neutri è più grande del puro gravitazionale (per qualche valore misurabile). La differenza è ovviamente la componente normale della forza superficiale più l'attrito.

La domanda correlata è "come misurare o definire la componente normale della forza superficiale"? La componente normale è ovviamente definita indirettamente, come l'opposto della somma delle componenti normali di tutte le altre forze!

#5
  0
Nikolaj-K
2012-04-15 22:28:08 UTC
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Almeno fintanto che non dai una definizione di "toccare" te stesso (come il trasferimento spaziale del DNA), questa è più una questione filosofica che fisica.

Lei parla del paradosso di Zenone, ma si potrebbe avvicinarlo / interpretarlo in molti modi diversi che coinvolgono domande su "intenzione", "coscienza", "io" e così via. Voglio dire, ci sono un numero enorme di forme di vita sulla tua pelle, che conti come "tu". Inoltre, se indossi guanti / preservativo, non ti tocca? Il concetto di toccare è difficile quanto il concetto di punti.

Per i miei gusti, anche tu "prendi la fisica troppo letterale". Parlare in termini fisici significa parlare in termini inclusi in una teoria fisica (creata dall'uomo). Inoltre, non hai nemmeno bisogno di una funzione d'onda meccanica quantistica per osservare che il contatto è una cosa astratta. Quando le forze a lungo raggio possono essere davvero trascurate, sembra essere una domanda, a cui dovrebbe essere data una risposta più ampia con "mai" o (e questa è la risposta che ritengo sia la migliore) con mezzi operativi pratici.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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