Если вероятность столкновения точки (фотона) с другой точкой (электроном) равна нулю, почему они сталкиваются?

В популярных представлениях о физике элементарных частиц часто можно встретить утверждение, что фотоны и электроны являются «точечными частицами», а протоны и другие составные объекты — нет. Однако называть фотон или электрон «точечной частицей» вводит в заблуждение, если только вы сразу не добавите, что мы имеем дело с квантовой физикой, а квантовая физическая «частица» всегда разбросана по некоторому диапазону положения и импульса.

Когда вы видите диаграммы Фейнмана, кажется, что одна маленькая точечная вещь появляется и поглощает или излучает другую маленькую точечную вещь в вершине диаграммы, но это неправильно. Линии на диаграмме обычно представляют собой состояния с четко определенным импульсом и энергией, что означает, что положение каждой сущности (например, электрона или фотона) полностью рассредоточено, поэтому эти состояния настолько далеки от «точечных», насколько это возможно. возможно быть!

На практике происходит то, что у вас есть состояния, которые являются промежуточными: ни полностью рассредоточенными, ни полностью сфокусированными на точке. Такие состояния называются волновыми пакетами.

Основным примером взаимодействия фотона с электроном является процесс, называемый эффектом Комптона. Если бы каждый входящий фотон и электрон были сфокусированы таким образом, что их волновые пакеты никогда не перекрывались, тогда они действительно не взаимодействовали бы! Эффект Комптона наблюдается, когда волновые пакеты действительно перекрываются.

Фотон взаимодействует с электроном, но не сталкивается с ним.

Вы можете думать об электроне как об облаке виртуальных частиц, которые в основном являются возбуждениями в квантовом электромагнитном поле. Кванты этого поля называются фотонами.

Возьмем, к примеру, это простое взаимодействие между двумя электронами:

Как показано на диаграмме Фейнмана .

Пояснение к диаграмме

Две сплошные внешние линии по обе стороны диаграммы — это электроны, а внутренняя линия в середине диаграммы (волнистая линия) — виртуальный фотон. Этот фотон обменивается между двумя электронами. Это можно рассматривать как обмен импульсом между электронами.

Отвечать

Поскольку каждая частица, имеющая электрический заряд, имеет облако виртуальных фотонов, фотон, которым обмениваются частицы, поглощается облаком виртуальных частиц той частицы, к которой он распространялся.

И поскольку электромагнитное поле не находится в фиксированном положении или точке, это скорее поле, которое распространяется от электрона по всему пространству-времени. Фотон взаимодействует с этим полем, а не с самим избранием. Таким образом, обмениваемый фотон поглощается этим полем, и частицы весело путешествуют, расходясь друг от друга (в данном случае).

Весь этот процесс можно рассчитать математически с помощью S-матрицы или правил Фейнмана, если вы хотите работать с умом.

Чтобы иметь вероятность больше нуля, почти одно из них не должно быть точкой.

В классической механике, когда заряженные частицы моделируются как точечные частицы, центр масс (ЦМ) которых является точкой, а траектория ЦМ одной частицы направлена ​​на ЦМ другой, будет происходить взаимодействие, которое будет обмениваться импульсами. и изменить положение (x, y, z) обеих частиц из-за кулоновской силы между ними. Вероятность взаимодействия зависит от начальных условий, вероятность лобового столкновения зависит от объема массы каждой частицы.

Ваше замешательство принадлежит к этой классической схеме.

Теория квантовой механики развивалась, когда экспериментально и в ходе наблюдений было обнаружено, что классических теорий недостаточно для моделирования данных и, что важно, для предсказания новых. Основной импульс для новой теории исходил от фотоэлектрического эффекта, излучения абсолютно черного тела и спектров атомов. Это началось с того, что сейчас называется первым квантованием (FQ), волновых уравнений, которые моделировали и предсказывали спектры атомов (Шредингер, Дирак), налагая на решения постулатов волновых уравнений дополнительные аксиомы, чтобы подобрать эти решения . которые смоделировали данные. Решения, интерпретированные как вероятность измерения частицы в точке (x, y, z, t), согласуются со всеми наблюдениями.

Затем данные стали накапливаться в рассеянии частиц более высоких энергий, выше электрон-вольтных энергий атомных наблюдений, и необходимо было распространить теорию на то, что называется вторичным квантованием (SQ), то есть на уровень вычислений с диаграммами Фейнмана. SQ сохраняет постулаты FQ. КТП для точечных частиц физики элементарных частиц представляет собой Стандартную модель ( СМ), в которой частицы в таблице аксиоматически считаются частицами с нулевой точкой.

Другие ответы на этот вопрос даются в рамках этой SQ-теории, которая оказалась очень успешной как в моделировании, так и в предсказаниях.

Подобно тому, как в классической механике частицы рассматриваются как точки с массой вокруг их ЦМ, в СМ частицы рассматриваются как точки с полем вокруг них. Так случилось, что это поле описано в вероятностном пространстве, т.е. нужно провести много измерений при заданных (x,y,z,t) с одинаковыми граничными условиями, чтобы увидеть предсказания модели, но это работает. Поскольку модель успешна, мы описываем элементарные частицы как точечные частицы.