为何物质要占据空间?量子学中我们有穿墙遁地的可能吗?

发布网友 发布时间：2023-07-17 20:31

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热心网友 时间：2024-10-27 22:32

我们平时生活中所知道的、所看到的一切物体都有体积，也理所当然的要占据空间，这一点确实不容易让我们察觉，而且两个物体还不能同时占据同一空间！

甚至空气也必须占据空间，换句话说：有空气的“地方”没你，有你的“地方”没空气！其实公元前5世纪的恩培多克勒就认识到了这个问题的雏形，当时他只是想证明，空气是一种实体物质！

恩培多克勒有一个葫芦，并且在葫芦的底部开了几个小孔，然后去河边往葫芦里装满水。如果这时把葫芦提起来，显而易见水就会从底部漏出来。但是恩培多克勒发现当用拇指或手把葫芦嘴堵上的时候，水就不会从底部流出来了。那么是什么阻止了水的下落？一定是葫芦底部的空气给水施加了压力，并且占据了外部的空间！

问这个问题的另一种方式是：为什么一个以上的物体不能同时出现在“同一个”地方？

就像上面的运动员，不管怎么努力，他都不会和地面占据同一个空间。不仅仅是我们宏观世界，在微观世界里我们不能把任意多的粒子（如：原子、甚至质子、中子或电子）放在有限的空间里。

但是不还有一些特殊的粒子，例如：我们可以把光子无限多地压缩进任意小的空间里。宇宙中第二、第三和第四重的基本粒子也是如此：希格斯玻色子、z玻色子，如果你能克服这些粒子的电荷斥力，甚至还有w玻色子。

那么，为什么构成宇宙中所有正常物质的质子、中子和电子会受到这样的*呢？

这就是泡利不相容原理！

泡利原理告诉我们，我们不能把两个相同的费米子放在相同的量子态中。

如果把温度降到绝对零度或者用任意大的力压缩玻色子，我就可以把任意数量的玻色子压缩到任意小的空间里。

但是正常物质是由质子、中子和电子组成的，这些都是费米子。这个简单的原理意味着，有一个有限的体积，一旦空间被物质粒子其中的一个所占据，其他物质就不能进入它的范围！

这就是为什么物质总是占据空间，不管它是带电的还是电中性的，也不管温度、压力或任何其他物理性质！

白矮星和中子星

一颗白矮星是由普通原子组成的，和我们人类一样，白矮星的质量与太阳差不多，但体积和我们地球差不多。但是一颗白矮星的密度大约是地球的30万倍！然而，尽管有强大的引力在压缩白矮星，但原子却拒绝屈服。这是为什么？

因为在恒星内部深处虽然存在巨大的压力，但是因为泡利不相容原理，一个原子的电子不愿意让其他电子靠近，而产生的抵抗压缩的压力，被称为电子简并压！但是还有更极端的情况。

在中子星更加巨大的压力下，电子宁愿与质子结合，产生一个中子和一个中微子，一路坍缩成中子星！也不会让其他电子和它进入相同的量子态，去违反泡利定律。

但是中子也是费米子，所以即使是完全由中子构成的恒星也不会无限的坍缩！中子星是宇宙中已知密度最大的物体，它们仍然是由物质构成的，它们仍然占据空间！

那么我们想穿墙，想和墙占据同一个空间！先问问我们身体里的电子答应不答应！它宁愿钻进质子里，也不愿意和墙上的电子见面！

另一方面，暗物质可以是玻色子，也可以是费米子（轻子），我们还不知道暗物质是什么，但是玻色子的几率比较大，既有足够的质量，还不不占据空间！