Обмен фотонами порождает электромагнитную силу [дубликат]

Обновление: я просмотрел этот ответ и уточнил некоторые части. Самое главное, я расширил раздел « Силы », чтобы лучше связать этот вопрос.

Мне нравятся ваши рассуждения, и вы на самом деле пришли к правильным выводам, так что поздравляю! Но понять взаимосвязь между силами и частицами не так просто, и, по моему мнению, лучшее, что можно сделать, — дать вам восходящее описание того, как приходят к понятию силы, когда начинают с частиц. Итак, вот и прошивка, которую вы хотели. Надеюсь, вы не найдете его слишком затянутым.

Физика частиц

Итак, начнем с физики элементарных частиц. Строительными блоками являются частицы и взаимодействия между ними. Вот и все. Представьте, что у вас есть куча частиц разных типов (массивные, безмассовые, скалярные, векторные, заряженные, цветозаряженные и т. д.) и сначала вы можете предположить, что разрешены все виды процессов между этими частицами (например, встреча трех фотонов на точку и порождают глюон и кварк, или несколько электронов встречаются в точке и создают четыре электрона фотон и три гравитона). Физика действительно могла бы выглядеть так, и в этом случае была бы непонятная путаница.

К счастью для нас, существует несколько организационных принципов, которые делают физику элементарных частиц достаточно простой (но не слишком простой, заметьте!). Эти принципы известны как законы сохранения. Проделав большое количество экспериментов, мы убедились, что электрический заряд сохраняется (количество одинаково до и после эксперимента). Мы также обнаружили, что импульс сохраняется. И многое другое тоже. Это означает, что процессы, подобные тем, о которых я упоминал ранее, уже исключены, поскольку они нарушают некоторые из этих законов. Только процессы, которые могут выдержать (очень строгие) требования сохранения, должны считаться возможными в теории, которая могла бы описать наш мир.

Другой важный принцип заключается в том, что мы хотим, чтобы наши взаимодействия были простыми. Это не экспериментальный характер, но он привлекателен, и в любом случае легче начать с более простых взаимодействий, и только если это не сработает, попробуйте ввести более сложные. Опять же, к счастью для нас, оказывается, что основные взаимодействия очень просты. В данной точке взаимодействия всегда находится небольшое количество частиц. А именно:

• два: частица меняет направление
• три:
  • частица, поглощающая другую частицу, например$e^- + \gamma \to e^-$
  • или одна частица распадается на две другие частицы$W^- \to e^- + \bar\nu_e$
• четыре: у них не такая хорошая интерпретация, как у предыдущих; но, чтобы привести пример, у одного есть, например, два входящих глюона и два выходящих глюона.

Итак, одним из примеров такого простого процесса является поглощение фотона электроном. Это не нарушает никаких законов сохранения и фактически оказывается строительным блоком теории электромагнетизма. Также тот факт, что существует хорошая теория этого взаимодействия, связан с тем, что заряд сохраняется (и вообще существует связь между сохранением величин и тем, как мы строим наши теории), но эту связь лучше оставить на усмотрение. Другой вопрос.

Вернуться к силам

Итак, вы спрашиваете себя, о чем был весь этот долгий и скучный разговор, не так ли? Суть в том, что наш мир (как мы его сейчас понимаем) действительно описывается всеми теми различными видами частиц, которые вездесущи и взаимодействуют посредством причудливых взаимодействий, допускаемых законами сохранения.

Поэтому, когда кто-то хочет понять электромагнитную силу на всем ее протяжении, нет другого пути (на самом деле, он есть, и я упомяну его в конце, но я не хотел слишком усложнять картину), кроме как вообразить огромные количество фотонов, летающих вокруг, постоянно поглощаемых и испускаемых заряженными частицами.

Итак, давайте проиллюстрируем это на вашей проблеме кулоновского взаимодействия между двумя электронами. Полный вклад в силу между двумя электронами состоит из всех возможных комбинаций элементарных процессов. Например, первый электрон испускает фотон, который затем летит к другому электрону и поглощается, или первый электрон испускает фотон, это превращается в пару электрон-позитрон, которая быстро рекомбинирует в другой фотон, который затем летит ко второму электрону и поглощается. Существует огромное количество этих процессов, которые необходимо учитывать, но на самом деле самые простые из них вносят наибольший вклад.

Но пока мы говорим о кулоновской силе, я хотел бы отметить поразительное отличие от классического случая. Там теория говорит вам, что у вас есть электромагнитное поле даже тогда, когда присутствует один электрон. Но в квантовой теории это не имело бы смысла. Электрон должен был бы излучать фотоны (потому что именно это соответствует полю), но лететь им было бы некуда. Кроме того, электрон будет терять энергию и поэтому не будет стабильным. И есть разные другие причины, пока это невозможно.

Я имею в виду, что один электрон не создает электромагнитного поля, пока не встретится с другой заряженной частицей! На самом деле, это должно иметь смысл, если вы немного подумаете об этом. Как вы обнаружите, что есть электрон, если вообще ничего нет? Ответ прост: вам не повезло, вы его не обнаружите. Вам всегда нужны тестовые частицы. Таким образом, классическая картина электростатического электромагнитного поля точечной частицы описывает только то , что произойдет, если в это поле будет вставлена ​​другая частица.

Приведенный выше разговор является частью более крупного пакета вопросов, связанных с измерением (и даже с самим определением) массы, заряда и других свойств системы в квантовой теории поля. Эти проблемы решаются с помощью перенормировки, но давайте оставим это на другой день.

Квантовые поля

Что ж, оказывается, все приведенные выше рассуждения о частицах (хотя визуально привлекательные и технически очень полезные) — это лишь приближение к более точной картине существования только одного квантового поля для каждого типа частиц и огромного числа частиц повсюду, соответствующих только острые локальные пики этого поля. Затем эти поля взаимодействуют посредством довольно сложных взаимодействий, которые сводятся к обычным частицам, если только посмотреть, что делают эти пики, когда они сближаются.

Этот вид поля может быть весьма информативным для одних тем и совершенно бесполезным для других. Одно место, где это действительно проясняет, - это когда кто-то пытается понять спонтанное появление так называемых виртуальных пар частица-античастица. Непонятно, откуда они появляются в виде частиц. Но с точки зрения поля это просто локальные возбуждения. Квантовое поле следует представлять в виде листа, который все время колеблется (посредством врожденного квантового вигглайджа) и время от времени качается достаточно сильно, чтобы создать пик, соответствующий упомянутой паре.

Насколько мне известно, когда заряженные частицы размещены, электромагнитная сила присутствует всегда, непрерывно. Согласно такой логике, для создания ЭМ-силы должен существовать поток бесконечных фотонов, и не должно быть интервала между одним «событием обмена» на другое.

Неа. Любое биржевое событие требует конечного количества времени и энергии. Итак, нет, на электроны не действует «непрерывная» сила. На квантовом уровне вы не ожидаете, что процессы вообще будут непрерывными. Кроме того, вы смешиваете две разные картины взаимодействия. В классической структуре да, em force «всегда там». Это неверно в квантовом описании. Погуглите модель шахматной доски, чтобы узнать именно такую ​​дискретную картину динамики элементарных частиц.

Представьте себе двух человек, сидящих в машинах на гладкой поверхности и бросающих друг в друга снежки. Каждый раз, когда человек А бросает мяч с импульсом$\vec{k}$он/она набирает обороты$-\vec{k}$. Когда человек Б поймает указанный снежок, предполагая, что ловля является абсолютно эластичной, он/она наберет скорость.$\vec{k}$. В конце этого процесса А получил$-\vec{k}$импульс и B набрали$\vec{k}$. Полный импульс системы сохраняется. Стороннему наблюдателю кажется, что А и В «оттолкнули» друг друга. Как расширить эту аналогию, чтобы вызвать «притяжение» между объектами, мне в настоящее время не ясно, но позвольте мне пока предположить, что это можно сделать.

Теперь, что касается электромагнитного и гравитационного полей, рассматриваемые «снежки» — фотон и гравитон — имеют нулевую (или исчезающе малую) массу. А и В не нужно много усилий, чтобы бросить эти невесомые снежки, что приводит к дальнодействующему характеру этих сил.

Пожалуйста, поправьте меня, если я ошибаюсь: все возбуждения фотонов и пионов происходят из ничего. Таким образом, ЭМ-сила и сильное взаимодействие должны быть везде, независимо от того, какой тип частиц существует. Скажем, даже электрически нейтральные, свободные от диполей частицы могут создать между ними ЭМ-силу.

Неправильный. Фотон и гравитоны не возникают из «ничего». Если использовать избитую фразу - "ничего" происходит от "ничего". Они, как упомянул @marek, заимствованы из основного состояния или вакуума рассматриваемого поля. И да, «электрически нейтральные частицы без диполей» могут развивать притягивающие взаимодействия исключительно из-за квантовых флуктуаций. Таково происхождение силы Ван-дер-Ваальса.

Для ядер [так в оригинале] сценарий становится еще более странным. Сильное взаимодействие между протонами обусловлено обменом массивными пионами. Звучит так, будто протоны бросают поток шариков друг в друга, создавая силу притяжения, а шарики должны появиться из ничего.

Именно потому, что "снежки" (пионы) массивны, сильное взаимодействие является короткодействующим и ограничивается конечной областью пространства - то есть ядром! Еще раз, пионы не возникают из ничего. Протоны, нейтроны, пионы и все другие возбуждения возникают из одного и того же вакуума и должны по праву называться «квазичастицами», а не элементарными частицами. Что касается природы этого вакуума, мы все еще пытаемся выяснить это ;)

Первоначальный вопрос казался очень запутанным IMO. Я написал комментарий к исходному вопросу (см. выше), который я немного перефразирую следующим образом:

Итак, мы обострили ваш вопрос. Вы хотите знать 1. Что такое виртуальные частицы и 2. Как, в принципе, их обмен порождает реальные силы, например, а) как обмен виртуальными калибровочными бозонами ЭМ (виртуальными фотонами) порождает ЭМ силу , б) как обмен виртуальными калибровочными бозонами сильного взаимодействия (виртуальными глюонами) приводит к возникновению сильного взаимодействия и в) аналогично для W и Z0 и слабого взаимодействия? Вам нужны не детали, а основной принцип того, как обмен виртуальными частицами может привести к реальной силе.

Итак, отвечая на вопрос №1, что такое виртуальные частицы? - Я предложил ему/ей начать с http://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_particle.

Отвечая на вопросы №2. Как, в принципе, обмен виртуальными калибровочными бозонами приводит к возникновению реальных сил? Для этого см. См. http://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier .

Отвечая на вопросы № 2b и 2c, т. е. дать некоторое указание на уровне бакалавриата, как такие же диаграммы Фейнмана могут применяться к сильным и слабым взаимодействиям, см. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase . /частицы/expar.html

В качестве популярного справочника, соответствующего очевидному уровню знаний оригинального плаката, я дал эту бесплатную ссылку на The Particle Century Гордона Фрейзера для хорошей меры. ИМХО, оригинальный постер будет лучше всего служить списком хороших полупопулярных книг по этим вопросам. Конструктивными дополнительными комментариями к моей попытке ответа лучше всего послужит список таких книг, которые были высоко оценены комментатором (комментаторами), для а) студентов общего профиля, б) студентов, изучающих физику, и в) возможно, даже студентов.