Есть ли «разница» между фотонами, действующими как виртуальные частицы, и фотонами, действующими как кванты электромагнитного излучения?

I) Я знаю, что виртуальные фотоны, как известно, являются переносчиками электромагнитной силы, и что они называются «виртуальными», потому что версия принципа неопределенности Гейзенберга с неравенством энергии и времени допускает частицы с достаточно высокой энергией. что их очень трудно наблюдать (поскольку более высокая энергия означает меньший возможный масштаб времени для наблюдения).

Но я также знаю, что фотоны — это кванты электромагнитного излучения; т.е. они испускаются атомами в какой-то точке пространства и поглощаются в других точках пространства как средство передачи энергии излучения.

Мой вопрос заключается в следующем: являются ли фотоны, которые действуют как переносчики электромагнитной силы, «теми же» фотонами (т.е. той же самой частицей), что и фотоны, которые действуют как кванты электромагнитного излучения?

Просто фотоны, испускаемые в виде виртуальных частиц, имеют достаточно высокую энергию, чтобы действовать как переносчики силы? Если да, то что заставляет заряженные частицы излучать фотоны такой высокой энергии?

II) В качестве дополнительного вопроса: меня в общих чертах знакомят с Электрослабым Объединением и идеей о том, что при достаточно высокой энергии ЭМ- и Слабые взаимодействия становятся неотличимы друг от друга (и, я полагаю, что разница между ЭМ-сила и Слабое взаимодействие при низкой энергии заключаются в том, что бозоны W и Z, передающие Слабое взаимодействие, массивны и поэтому действуют на малых расстояниях, тогда как фотоны не имеют массы и поэтому действуют на больших расстояниях). И впоследствии, что бозон Хиггса помогает объяснить, что дает массу бозонам W и Z.

Но в чем разница между бозонами W и Z и фотоном, которая заставляет их взаимодействовать с механизмом Хиггса, а фотон остается незатронутым?

Я надеюсь, что эти вопросы имеют смысл.

Иногда проводится различие между «на оболочке» и «вне оболочки» (оболочка - это сокращение от «массовой оболочки»), но фотон есть фотон. Также см. physics.stackexchange.com/questions/68940/… и physics.stackexchange.com/questions/61095/…

Ответы (2)

Существует только один вид фотона.

Действительно, когда мы описываем, например, элементарные взаимодействия между двумя электронами, мы называем фотон «виртуальным», в отличие от физического фотона, который может существовать вне этого процесса.

Тем не менее, это такие же частицы, т.е. возбуждения того же фундаментального поля, что и фотоны, из которых состоит, например, свет.

Опять же, виртуальные фотоны могут появляться только в контексте прямого взаимодействия между заряженными частицами, в то время как реальные фотоны представляют собой электромагнитные волны, испускаемые, например, возбужденными атомами. Макроскопические (постоянные) электрические и магнитные поля представляют собой когерентные состояния виртуальных фотонов.

По поводу электрослабого объединения у вас, похоже, неправильное представление. В единой теории уже нет электромагнетизма, а есть только электрослабое взаимодействие, имеющее четыре носителя силы: Вт ± , Вт 0 а также Б .

Поле Хиггса соединяется со всем этим, придавая массу Вт ± и к линейной комбинации Вт 0 а также Б , который мы называем Z знак равно потому что ⁡ ( θ Вт ) Вт 0 + грех ⁡ ( θ Вт ) Б , а ортогональная линейная комбинация γ знак равно − грех ⁡ ( θ Вт ) Вт 0 + потому что ⁡ ( θ Вт ) Б остается безмассовым.

Таким образом, фотон определяется как бозон, который остается безмассовым после нарушения электрослабой симметрии.

Вау, отличный ответ, спасибо. Если вы не возражаете, у меня есть несколько дополнительных вопросов: (1) Неверно ли все еще думать о виртуальных фотонах, «испускаемых» заряженными частицами, как настоящие фотоны испускаются возбужденными атомами? Если это не так, есть ли свойство заряженных частиц, которое заставляет их испускать такие высокоэнергетические/виртуальные фотоны вместо реальных фотонов? (2) Каково значение того, что фотон ортогонален Z-бозону, и как это связано с тем, имеют ли бозоны массу? (У меня есть относительное знакомство с ортогональными функциями, поэтому я очень заинтересован).
Кроме того, (3), когда вы говорите, что макроскопические электрические и магнитные поля являются когерентными состояниями реальных фотонов, есть ли какая-либо связь со стоячими волнами и резонансом? Неправильно ли думать о постоянных электрических полях как о стоячих фотонных волнах с электрическим и магнитным полями, которые описывают их распространение, «выстраиваясь» таким образом, чтобы казаться постоянными, поскольку волны, распространяющиеся в струне, «выстраиваются», создавая стоячая волна с узлами?
(1) Да, вы можете думать о виртуальном фотоне как о фотоне, который немедленно захватывается другой частицей, что приводит к внезапному изменению импульса этой частицы. (2) Смысл в том, что, хотя бозон Хиггса соединяется со всеми четырьмя электрослабыми калибровочными бозонами, существует одна линейная комбинация (как выясняется) электрически нейтральных бозонов, с которыми он соединяется «в полную силу», и одна, с которой он соединяется вообще не пара. Их ортогональность приводит к Z бозон электрически нейтрален, т.е. Z − γ -связь. И (3): да :)
Re (1) - Вы действительно имеете в виду "...*немедленно* пойманный другой частицей"? Разве он не должен двигаться со скоростью света?
Нет. Поскольку они не обязаны иметь энергию и импульс на массовой оболочке (см. Ответ Роба), другие ограничения также не применяются. Один наивный способ изобразить это состоит в том, что взаимодействие между двумя электронами через фотон происходит как маленькая молния, соединяющая два электрона на мгновение, позволяя обменяться импульсами. После того, как молния исчезает, электроны меняют свое направление и снова не замечают друг друга.
Если вам нужен более конкретный ответ, ознакомьтесь с этим вопросом и ответами в нем.

Основное различие между реальными и виртуальными фотонами заключается в том, что виртуальные частицы не обязаны иметь энергию и импульс на «массовой оболочке» . То есть виртуальные фотоны могут иметь Е 2 − п 2 ≠ м 2 , а реальные фотоны должны подчиняться Е 2 − п 2 знак равно м 2 знак равно 0 .

Моя память расходится с Нойнеком (v1): я думаю, что когерентная суперпозиция реальных фотонов — это лазер, а статические электрические и магнитные поля состоят из виртуальных фотонов. Например, рассмотрим поле между двумя точечными зарядами с противоположным знаком. Реальные фотоны, движущиеся по пути между двумя зарядами, могут создавать только поперечные электрические поля, а статическое поле полностью продольное. Виртуальный фотон с м ≠ 0 , однако, не ограничивается двумя состояниями поперечной поляризации.

Описание Нойнеком слабого угла смешения является точным. Я бы добавил, что вы восстанавливаете «чистое» электрослабое взаимодействие в пределе, когда энергия Е вовлеченных во взаимодействие, значительно больше, чем Вт а также Z массы, Е ≫ м Вт . В этом случае вы можете использовать приближение, согласно которому все четыре электрослабых бозона Вт ± , Z 0 , γ иметь "одинаковую" массу м ≈ 0 .

Есть ли смысл думать о виртуальных фотонах как о «перемещающихся» от одной заряженной частицы к другой? Я знаю, что в вашей ссылке говорится, что частицы, которые находятся вне оболочки , не обязаны следовать нормальным уравнениям движения в классической динамике, поэтому я думаю, что нет... Но мне трудно представить, как фотон движется каким- либо образом из одна заряженная частица к другой создавала бы продольное электрическое поле. Не должен ли фотон двигаться? к линии, соединяющей два? (Думаю, поскольку он не должен двигаться нормально, думать об этом бесполезно...?)
Хороший пост, также +1 за указание на мою ошибку!
Что касается фотонов, «движущихся»: вы подумали обо всех виртуальных фотонах, обменивающихся импульсом в обоих направлениях, что немного сложно.
О поляризации: фотон имеет единичный спин, поэтому в принципе он имеет три состояния круговой поляризации; однако, поскольку фотон движется со с можно наблюдать только полностью выровненные и антивыровненные состояния спиральности (или суперпозиции, такие как плоская поляризация). Фотоны вне оболочки имеют дополнительное состояние ортогональной поляризации.
@rob: «Основное различие между реальными и виртуальными фотонами заключается в том, что виртуальные частицы не обязаны обладать энергией и импульсом…». Им не требуется или не разрешается иметь энергию и импульс?
@brightmagus «... не требуется иметь энергию и импульс на массовой оболочке». Всегда есть какая-то энергия и импульс.
@rob: Значит, частица, испускающая виртуальные фотоны, теряет энергию?
@brightmagus Постоянный обмен виртуальными фотонами со всеми другими заряженными частицами — вот что значит иметь электрический заряд; энергия стационарна.
@rob: То есть примерно все испускаемые частицы перехватываются?
@brightmagus Все виртуальные частицы обмениваются .
@rob: Как это достигается? Направлены ли они излучающей частицей точно на другую частицу? 100% точность?
@brightmagus Звучит как тема для дополнительного вопроса.
@rob: есть ответ? (просто дайте мне ссылку и я уйду)
@brightmagus Ответ с нюансами. У меня нет ссылки.
Есть ли «разница» между фотонами, действующими как виртуальные частицы, и фотонами, действующими как кванты электромагнитного излучения?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v