Опосредует ли фотон электромагнитные взаимодействия?

Начнем с начала стандартной модели физики элементарных частиц SU(3)xSU(2)xU(1). СМ. Это основано на этих элементарных частицах:

Каждая из этих частиц имеет уникальные квантовые числа, которые их идентифицируют, а также определенную массу, и мы можем рассматривать их как измеренные данные (как это еще одна длинная история, достаточно того, что их существование зависит от данных). Измерения показали нам, что существуют четыре фундаментальные силы . Теоретико-групповая структура СМ (также дистиллят наблюдений и измерений) предписывает, как происходят взаимодействия.

СМ предписывает квантовую теорию поля как инструмент для расчета взаимодействий между этими элементарными частицами, и этот инструмент приводит к диаграммам Фейнмана, которые являются сокращением для интегралов в пертурбативном разложении решения. Каждая фундаментальная сила в КТП имеет константу связи, связанную с взаимодействием.

Вот простейшая диаграмма рассеяния электрона электроном:

Внутренняя линия называется фотоном, потому что она имеет электромагнитные связи, входящие в интеграл, она передает четырехкратный импульс между входящим и исходящим (dp/dt — определение силы) и имеет все квантовые числа фотона, кроме его массы, которая вне оболочки. Он является носителем электромагнитного взаимодействия в этой простейшей диаграмме низшего порядка. Электромагнитные взаимодействия могут осуществляться другими «виртуальными» частицами, как здесь :

где приходящая гамма производит пару е+е- в поле ядра с виртуальным электронным обменом и виртуальной гаммой из ядра. Это опять-таки предписание интегрирования в пределах переменных, а электрон и гамма находятся вне массовой оболочки.

Так что фотон участвует в электромагнитных взаимодействиях, но не только фотон, все заряженные элементарные частицы электромагнитно связываются и опосредуют электромагнитные взаимодействия. Фотон (и вообще красный столбец в таблице частиц) важны в диаграммах низшего порядка при разложении решения КТП в диаграммы Фейнмана, в зависимости от взаимодействия.

Итак... если виртуальных частиц не существует и нет виртуальных фотонов, то что именно является посредником в электромагнитных взаимодействиях?

Есть виртуальные частицы по математическому определению, как есть интегралы и дифференциалы. Именно константы связи отделяют электромагнитное взаимодействие от других.

Чем именно обмениваются два электрона при отталкивании?

Импульс, энергия и квантовые числа, и именно квантовые числа определяют имя частицы обмена, масса вне оболочки не важна, потому что масса не является сохраняющейся величиной.

Взаимодействие между заряженными частицами описывается теорией, называемой квантовой электродинамикой , которая сама является частью большой теории, называемой Стандартной моделью . Обе они принадлежат к классу теорий, называемых квантовыми теориями поля .

Вопрос о том, существуют ли на самом деле виртуальные частицы (их нет), обсуждался до смерти , и я не думаю, что стоит пытаться что-то добавить к этому здесь. Достаточно сказать, что взаимодействие между заряженными частицами может быть выражено как сумма интегралов, называемых пропагаторами , которые моделируются как обмен частицами, включая фотоны.

Когда мы квантуем поле электрона, мы обнаруживаем, что для сохранения симметрии, называемой локальной калибровочной инвариантностью, мы также должны учитывать фотонное поле. То есть теория требует существования как электронов, так и фотонов. В этом смысле фотографии опосредуют взаимодействие между электронами. В принципе электроны также опосредуют взаимодействие между фотонами, хотя рассеяние фотон-фотон настолько слабое, что его еще предстоит наблюдать экспериментально.

Теперь отсюда все становится немного более философским и запутанным. Ты спрашиваешь:

то что именно опосредует электромагнитные взаимодействия

Очень заманчиво спросить о физических теориях , но что происходит на самом деле , но такие вопросы редко имеют смысл. Квантовое поле не является физическим объектом. Это операторное поле, то есть поле, значение которого в каждой точке пространства-времени является математической функцией. Квантовая теория поля работает очень хорошо, и действительно, это самая точная теория из когда-либо созданных . Поскольку квантовые поля являются математическими конструкциями, они предположительно описывают что-то физическое, но неясно, что это такое и даже имеет ли вопрос о том, что они описывают, какой-либо физический смысл.