一直有个疑问,简并压属于哪种基本力?

Question

一直有个疑问,简并压属于哪种基本力?

Answer 1

首先来看四种基本力的强度对比
若万有引力为1
则弱力为10^25
电磁力为10^36
强力为10^38
电子简并压力在恒星质量未超过钱德拉塞卡极限（1.38太阳质量）前能阻止核心的塌缩,从这来看它应当和电磁力是在一个量级的,但是白矮星靠电子简并压支撑抗衡引力,中子星靠中子简并压支撑,它又似乎该是强力.但它事实上并不属于力.
它来自于泡利不相容原理.在一个系统,比如两个电子在同一个原子核的库仑势范围内.而且它的不相容是指“量子态”不相容,而不是单指它们空间位置不相容,“空间位置不相容”只是“量子态不相容”的一种可能的表现形式.
总所周知,量子层面重要的一种叙述方式就是概率.这种“力”我们并不与4大基本力一起讨论.
标准模型关于基本相互作用的总结是有其历史的局限性的.现在看来,我们似乎可以将力分为两类：规范力和涨落力.四大基本力都是通过规范场传递的,所以我把它们称为规范力.熵力、简并力和卡西米尔力都是涨落力.
但是这种划分并不绝对.因为在二维系统中,费米子的简并力也可以被归结为某种规范力.我们知道费米子之所以有Pauli不相容原理的原因在于费米子是交换反对称的,就是说交换费米子会在配分函数（/波函数）上产生π的相位积累.在有平移对称性的二维空间中,交换费米子等价于使一个费米子绕另一个费米子转半圈.因此如果一个费米子绕另一个费米子转一圈将要积累2π的相位,这相当于一个电荷对一个量子磁通转一圈积累的Berry相位.如果按照这种类比,我们可以认为二维的费米子实际上都是玻色子,但是它们头上都绑着一个量子磁通,而且身上还带着能够耦合这种量子磁通的单位U(1)规范荷.如此而言,二维的费米气体模型完全等价于二维带荷玻色气体耦合到U(1) Chern-Simons规范场的模型.
比如说,我们可以认为在二维电子气中,电子实际上是一种玻色子,然后除了电荷以外,它们还携带一另种U(1)规范荷,叫做“统计荷”.我们知道,电荷就与电磁场耦合,光子负责传递电子之间的电磁相互作用.而统计荷则不与电磁场耦合,它与统计场耦合.统计场是一个U(1) Chern-Simons规范场.统计场同样可以量子化,得到统计子,统计子就是负责传递简并力的量子.而具有讽刺意义的是,传递费米简并力的统计子本身却是一个玻色子.与光子不同的是,统计子是物质粒子的一种附庸,它不能独立地传播,没有自己的能量和动量,因此也不能被实际观测到.统计子一辈子只能悲剧地以虚粒子的身份生活在量子涨落之中.但我们至少看到,简并力有时也可以用规范理论加以描述.可见规范力和涨落力之间界限也并不是确切的,要对简并力作出明确的划分是很困难的.
总而言之,简并力到底是什么力,这确实是个很深刻的问题.我们与其说,标准模型关于基本相互作用的归纳是不完备的,并不是所有的力都能被归结到标准模型的框架下,还不如说,试图对力进行归纳,这个努力本身就没有意义.其原因有二.
第一,力是一个错误的研究对象.因为正如Wilzeck教授说的,力只是一种物理学文化,力并没有良好的定义.简并力到底是不是一个力,这本身都是个人喜好问题.很显然,标准模型在对相互作用进行分类的时候根本就没有把简并力当成一种力.简并力之所以被某些人当成一种力,其原因在于对白矮星进行受力分析的时候,我们需要一个力来平衡引力.但是力为什么需要平衡?力的平衡完全是Newton力学的文化,而我们并不需要坚持这种文化.至少能量是一个比力更好的文化,讨论简并能的归属或许更有意义.
第二,试图将力不断解剖以穷其根源的还原论思路是错误的.因为所有的力都是演生的,力这个概念只存在于低能有效理论之中.在经典力学里使用力这个概念的强大之处,就在于力的唯象.所以,力在本质上是反还原论的.一旦被还原,力将失去其意义.这也是为什么我们会觉得还原简并力是一件困难的事情.我们可以用量子涨落来还原简并力,也可以用规范理论来还原简并力,但无论哪种还原都已经肢解了简并力这个概念,使简并力这么一个鲜活易用的概念顿时变得艰涩而破碎.