为什么物质是稳定的?

总是被简单的问题难倒，不是吗?当我女儿在化学作业中被问到，如果原子大部分是“空的”，为什么固体不能相互穿透时，我可以看出这是一个很好的方法来探索她对力等概念的理解。因为她还没有遇到泡利的不相容原理，所以没有人指望她有一个更完整的答案的概念工具。但当我开始向她概述那个额外的因素时，我开始感到不安。

物质的稳定性和固体性有多少是真正的静电，有多少来自量子力学排斥?我不确定我那些油嘴滑舌的回答是否触及了要害。例如，在电子不能占据相同的量子态和不能占据相同的空间区域之间没有任何明显的路径。(事实上，这甚至是在她问之前，为什么费米子和玻色子遵循不同的统计。)我仔细研究了一下普林斯顿物理学家埃利奥特·里布1976年的经典评论文章，物质的稳定性．¹如果你像我一样认为，你已经弄清楚了为什么物质不会坍缩或表现出幽灵般的非实体，我建议你去看看。

库仑问题

“物质世界的澳门万博公司一些特征是如此寻常，以至于它们似乎不值得评论。”里布这样写道。“其中之一是，普通物质，无论是以原子形式还是以体积形式，都被库仑力束缚在一起，但它是稳定的。”他说，我们认为这完全是量子力学的问题，“但结论如何从前提中推导出来还远不明显……答案在任何教科书中都找不到。”简单地说，库仑力应该会创造出一个奇点，就像引力坍缩到黑洞一样。

奥地利物理学家保罗·埃伦费斯特是这样说的:为什么原子这么大?他的回答是:“只有泡利原理。”在1967 - 1968年，弗里曼·戴森和安德鲁·伦纳德证明，否则所有的原子和体积物质“都会坍缩成一个浓缩的高密度相”，并释放出巨大的能量。^2、3利布说，尽管如此，要用“清晰、简洁”的方式说明为什么泡利不相容能够抵抗库伦塌缩并不容易。

他的论文致力于这项任务——这是一项可怕的任务。简而言之，他证明了体物质的稳定性来自于一种适用于许多费米子系统的不确定性原理，该原理为给定的电子密度创造了最小的动能。在某种程度上，答案的复杂性应该不足为奇——因为谁曾认为量子多体问题是一个微不足道的问题?

超出了限制

但这还不是全部。Lieb表明，需要进一步的令人瞠目结舌的理论来处理“热力学极限”，在这个理论中，随着系统大小趋于无穷大，压力等明确定义的热力学变量就会出现。这仍然是不足以建立独特的热力学状态的存在，其特征是定义良好的相关函数。

也许是因为他不太相信自己已经完全破解了这个问题，2007年，里布发表了第二篇关于这个主题的论文。⁴在这里，他给出了费米子和玻色子如何与量子化电磁场相互作用的完全相对论处理，以建立原子中库仑奇点的存在性和极限。但他在结尾发出了一个不祥的警告:许多问题仍然存在。

你以为大脑是复杂的，但一个单独的原子并不复杂

这一切都让人感到相当不安——或者说应该如此。当然，不能保证表面上简单的问题有简单的答案。然而，我们缺乏一个完整的解释，为什么我们周围的东西，甚至我们内部的东西，有这样的稳定性，这似乎是不正确的。如果事实证明，答案在于我们努力将其归结为定性术语的极其微妙的因素的串联，就很难避免怀疑我们遗漏了一些东西——或者，我们的理论并没有以最能指向对经验的清晰理解的术语来表述。当然，你认为大脑是复杂的，但是一粒沙子，或者一个原子，就不那么复杂了。

这让我想起了人们在发展测量的量子描述时必须面对的复杂性:换句话说，要解释我们如何通过观察了解任何事情。与许多流行的说法相反，将测量变成了一个无法破解的谜，至少在最简单的情况下，从量子系统中获取信息并进入环境可以用量子力学来表达。但这涉及到调用纠缠和退相干，以及像再选择和量子达尔文主义这样的概念⁵——确实是巴洛克式的机器。

我猜这可能是我女儿的下一个问题。来吧。