Фотон как носитель электромагнитной силы

Вы должны понимать, что когда мы говорим о фотонах, мы говорим об элементарных частицах, и их взаимодействия определяются квантовой механикой, а не классической механикой, и, кроме того, для их расчета необходима специальная теория относительности.

В целом мы знаем об элементарных частицах, потому что наблюдаем их следы в детекторах уже почти сто лет. Мы никогда не видим электрон или протон так, как мы видим частицу пыли.

Это самый наглядный детектор, фотокамера пузырьковой камеры электромагнитных явлений .

Здесь мы видим некоторые электромагнитные события, такие как создание пары или материализация фотона высокой энергии в пару электрон-позитрон (зеленые дорожки), эффект Комптона (красные дорожки), испускание электромагнитного излучения ускоряющими зарядами (фиолетовые дорожки) (тормозное излучение). и выбивные электроны или дельта-лучи (синие дорожки)

Теперь давайте посмотрим на ваши вопросы:

1) Как мы пришли к выводу, что «электроны обмениваются виртуальными фотонами, и это является причиной электромагнитной силы между ними», просто наблюдая, как электроны поглощают или испускают фотоны?

Не так мы пришли к такому выводу. На протяжении многих лет было изучено очень большое количество контролируемых рассеяний электронов на материи, что и показано на этом рисунке, и теоретическая основа расчета вероятности рассеяния и угловых распределений была очень хорошо разработана в течение многих лет. Это включает в себя математику, которую нельзя махнуть рукой. Начнем с того, что сечение рассеяния электрона на электроне может быть записано в виде ряда свернутых интегралов, которые можно наглядно представить в виде диаграмм Фейнмана. На этих диаграммах Фейнмана пропагаторы взаимодействия между прибывающими и улетающими частицами можно рассматривать как виртуальные фотоны, поскольку они несут квантовые числа фотона, но находятся вне массовой оболочки.

Все, что находится между входящими и исходящими вершинами, является виртуальным, и их реальность зависит от правильного представления квантовых чисел обмениваемой частицы, в данном случае квантовых чисел фотона.

2) Если электроны отбрасывают фотоны друг на друга, не означает ли это, что они должны только рассеиваться (отталкиваться)? Если это так, то почему магниты притягиваются?

Виртуальные фотоны не похожи на шары, они вне массовой оболочки, они представляют собой полезную математическую конструкцию. Однако есть интересный аналог , когда две лодки, бросающие друг в друга мячи, представляют силы отталкивания, а бумеранги — силы притяжения.

Происходят ли эти два явления естественным образом здесь, на Земле (без LHC или других ускорителей частиц), в верхних слоях атмосферы или только в глубоком темном космосе?

Существуют космические лучи всех энергий, космический ускоритель, и элементарные частицы были впервые обнаружены в эмульсиях , подвергнутых воздействию космических лучей на больших высотах, например, таким образом был открыт пион . Так что любой процесс, наблюдаемый в ускорителях, можно обнаружить, если хорошенько поискать в космических лучах. Ускорители позволяют выполнять подробные и точные измерения поперечных сечений, коэффициентов ветвления и т. д. благодаря возможной высокой статистике.

2) Если электроны отбрасывают фотоны друг на друга, не означает ли это, что они должны только рассеиваться (отталкиваться)? Если это так, то почему магниты притягиваются?

Часть ответа, по-видимому, заключается в том, что местоположение фотона в магнитном поле определяет, будет ли он притягивать или отталкивать объект в этом месте. Насколько мне известно, фотон всегда будет иметь отталкивающий эффект при взаимодействии с другой частицей.