光具有波粒二象性速度又非常快,具有粒子性质为何不能相互碰撞?
首先,这是一个非常牛叉的问题!
因为这涉及到物质的本源以及光子的特殊性。
碰撞这样的概念,来自我们的宏观经验,两个物体迎头相撞,或者两个球相撞,或者大地和我们相撞,我们习惯了相撞,因此穿墙术才成为崂山道士的“奇术”,是不可思议的怪事。
图示:牛顿摆,动量完美传递。
但为什么两个粒子或者两个物体会发生碰撞?
为什么它们不能彼此直接穿过对方?
常识不代表真理,不代表非得如此不可。我们只是习惯了这样的经验,但如果找不到经验背后隐藏的真相,那么经验就可能随时被推翻,比如我们也曾经认为太阳绕着地球转,这非常符合我们的经验,可真相是地球绕着太阳转。
因此,我们必须问一个深刻的问题,碰撞为什么会发生?在许多网络游戏中,虚拟角色彼此之间是不会发生碰撞的,您们彼此之间可以互相穿过!这意味着如果被群殴,只要没被控制,那就可以径直穿过人群逃命,说实话最初我遇到这种游戏时是发蒙的,因为现实生活的经验桎梏着我的思维,我会找一个没人空位逃命,但这完全没有必要,因为虚拟角色彼此之间是可以对穿的,当然,这是计算机算法设定的规则,做出这样的设定有很多现实因素的考虑,比如减轻对计算机计算的需求,以及防止虚拟世界中出现交通拥堵。
图示:如果我们生活在虚拟世界中,就没有交通拥堵这回事儿,因为碰撞不会发生。
那么,为何现实世界中会发生碰撞呢,为什么粒子和粒子之间会发生碰撞呢?
当我们从宏观层面来到微观层面,这个答案就变得一目了然,粒子和粒子之间会发生碰撞,是因为同性电荷相互排斥!等一下,可是许多粒子不带电呀,怎么会发生同性电荷相互排斥这样的事情呢?
我们所讨论的粒子都是由原子组成的,原子又是由原子核和电子组成的,而原子的主要质量集中在原子核中,而原子核并没有均匀地存在于原子的内部,而是集中在一点,这个点和整个原子相比非常小非常小非常小。
图示:从前人们认为原子的质量均匀分布在原子中,即整个原子是一个大致均匀的实体,就像宏观概念中的一个密度均匀的球。但卢瑟福用放射性材料释放的阿尔法粒子去穿过金箔时,发现实验结果非常奇怪,大多数阿尔法粒子就像会穿墙术一般,径直穿过了金箔,只有极少数阿尔法粒子的方向发生了很大变化,就像台球和台球相撞那样的变化。
这促使卢瑟福重新思考了原子的内部架构,提出了原子核这样的概念,并认为原子的主要质量集中在原子核上,而根据实验结果,推算出原子内部的空间相对于原子核来说非常空旷,空旷到不可思议的程度,或者换句话说,那就是原子核相对于原子来说非常小,小到不可思议的地步。到底有多小呢,还是用天文学举例吧,比太阳稍大的恒星,最终会变成一颗中子星,中子星可以被认为就是宇宙形成的一个最大的原子核!当然,在这种情况下,它和普通原子核差异很大。但它大概能代表如果把原子核直接堆在一起,是件多么恐怖的事情,中子星的密度惊人。
图示:中子星上的一勺物质质量相当于喜马拉雅山脉的质量。其实这意味着庞大的喜马拉雅山脉基本上是空的,其质量所占据的真正的空间,就是这么一小勺的空间!
所以,为什么基本上是空的两个原子还会彼此弹开,而不是对穿对过呢?因为电子,因为电子云的存在,原子的体积主要是由电子云的大小所决定的,而不是由原子核直接决定的。我们认知中粒子相撞的本质其实是,电子云和电子云互相撞在了一起,阻止了双方彼此穿过。
图示:把两个氢原子对撞,实际发生的情况是,氢原子和氢原子彼此的电子云在发生对撞,然后因为同性电荷相互排斥,彼此弹开,这就是相撞的本质。
为什么阿尔法粒子就能径直穿过金箔呢?现在我们知道所谓阿尔法粒子是由两个质子及两个中子组成,它没有电子,重复一下,它没有电子,再重复一下它没有电子,同时质子是带正电的,这意味着它和电子之间不会发生相互排斥,这就是为什么大多数阿尔法粒子能穿过金箔的原因,只有少数直接撞上或者从金原子核旁边经过的阿尔法粒子才发生了碰撞事件!从原子核旁边经过会受到同性电荷相互排斥的作用力,因为原子核总是带正电的。
图示:如果剥离其中一个氢原子的电子,这非常容易,因为酸的代表氢离子,您就会得到一个典型的没有电子的氢原子核(图右显示氢原子核的夸克组成),如果用氢原子核去和氢原子对撞,那么除非恰好撞上原子内部的原子核或附近,那么你将会观察到绝大多数时候,它们彼此就真的会对穿对过,压根没有碰撞事件的发生。
如果您明白了碰撞是怎么回事儿,现在我们就能知道光子和光子为啥不会发生碰撞了
因为光子不带电,既不带正电也不带负电,这造成光子不仅不会和光子撞在一起,也不会和物质撞在一起,但它的确可以和物质发生相互作用,最常见的现象是光子被电子吸收,让电子获得能量,发生能级跃迁,从低能级向高能级跳跃,当电子从高能级落回低能级时,它又重新释放出一个光子。
我们应该感谢,我们生活在一个光子不会发生相互碰撞的世界中,否则我们就再也没法用光来确定直线了,宇宙中存在大量的光子,如果它们彼此之间相遇的时候会反弹,那么这个宇宙大概会让人发疯,或者压根不会产生生命,谁知道呢。
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