Откуда фотон «знает», что у него остался один заряд и что он уходит на другой?

Не следует представлять себе виртуальный фотон как отдельный объект, блуждающий от одной заряженной частицы к другой. Эта картина просто неприменима. К сожалению, диаграммы Фейнмана вводят людей в заблуждение, заставляя их воображать такие вещи.

На самом деле диаграммы Фейнмана хороши для расчетов и плохи для воображения. Диаграммы Фейнмана были введены, чтобы помочь физикам собирать математические термины для ряда возмущений. И здесь они очень помогают. Они были введены не для того, чтобы помочь людям представить себе, что происходит на самом деле.

При этом всегда нужно помнить, где виртуальные частицы входят в теорию: они появляются при расчете ряда возмущений. Однако ряд возмущений по определению является аппроксимацией. Это не полная теория сама по себе. Если вы посмотрите на это с этой стороны, то поймете, что виртуальные частицы на самом деле являются артефактами математической теории. Они, вероятно, даже не имеют аналога в реальности.

В КЭД обычно начинают с гамильтониана свободного поля (или лагранжиана). Его собственными состояниями являются свободный фотон и свободный электрон или другие поля частиц. Свободные поля на самом деле являются идеализацией: их не существует в природе, поскольку всегда есть какое-то взаимодействие. Тем не менее, если частицы находятся далеко друг от друга, свободные поля считаются хорошим приближением.

Когда теперь включается взаимодействие, состояния свободного поля больше не являются собственными состояниями гамильтониана. Новые собственные состояния представляют собой сложные смеси состояний свободного поля (если они вообще живут в одном и том же гильбертовом пространстве). Это означает, что новое собственное состояние гамильтониана взаимодействия можно представить как новую частицу, представляющую собой сложную смесь состояний свободной частицы и, следовательно, свободных состояний фотона и электрона. Таким образом, электрон и фотон больше не являются отдельными состояниями, а смешиваются, образуя новые состояния, пока действует взаимодействие.

В любом случае, новые собственные состояния не могут быть найдены явно. Вместо этого ученые используют ряд возмущений, чтобы получить приближенное решение для процессов рассеяния. В этом ряду возмущений взаимодействие моделируется как происходящее в определенных точках пространства и времени, а между ними частицы распространяются как «свободные» частицы. Эти промежуточные частицы называются виртуальными частицами. Они явно являются артефактом серии возмущений, а не тем, что происходит в реальности.

Сам заряд является мерой взаимодействия между определенными частицами. Это не прямое наблюдение. Опять же, не следует рассматривать его как некую отличительную черту частицы, заставляющую эту частицу притягивать или отталкивать другие (заряженные) частицы (хотя часто это рассматривается именно так). В противном случае у вас действительно возникнет проблема понять, почему фотон вносит свой вклад, поскольку он не несет заряда. Вместо этого заряд приводит к члену взаимодействия в лангражиане и заставляет поля, вносящие вклад в этот член взаимодействия, смешиваться. Вносящими вклад являются поля заряженной частицы и поле фотона.

Именно поэтому заряд нельзя измерить напрямую, а нужно извлечь из амплитуд взаимодействия, образованных взаимодействующими полями. Этот факт важен для перенормировки квантовой электродинамики. Чистый заряд может даже стать бесконечным в процессе реномализации, пока заряд, измеренный с помощью этих амплитуд взаимодействия, имеет разумное конечное значение.

Все заряженные частицы испускают незаряженные фотоны.

Могут, при правильных граничных условиях.

Так как же фотон «знает», что он покидает один вид заряда и «приземляется» на другой?

То, что вы описываете здесь, — это « виртуальный фотон», взаимодействие между двумя заряженными частицами.

Есть сложный путь, т. е . математические решения с интегралами и граничными значениями, например, для задачи «рассеяние электрона электроном», и есть знаковая помощь диаграмм Фейнмана, позволяющих визуализировать процесс.

Одна из возможных диаграмм Фейнмана для рассеяния электронов: электроны (обозначенные буквой «e») отталкиваются друг от друга, потому что один из них испускает фотон («γ»), который попадает в другой. Наши правила позаботятся обо всем остальном.

В сложной форме это решения амплитуды рассеяния и граничных условий, которые создают «знание». Эквивалентным математически, но простым концептуально, образным образом становится ясно, что фотон соединяется с электроном, и это виртуальный фотон, потому что он не находится на массовой оболочке. Это называется «обмен виртуальным фотоном», потому что промежуточный продукт несет все квантовые числа фотона, за исключением того, что его масса не обязательно равна нулю.

Принимая во внимание, что она не связана с нейтрино первого порядка (например). Эта теория описывает данные и предсказывает новые данные с очень большой точностью.

Первый порядок означает, что электрон и нейтрино имеют нулевую вероятность электромагнитного рассеяния, но существуют диаграммы Фейнмана более высокого порядка, которые допускают электромагнитное взаимодействие между заряженными и нейтральными, хотя и дают для этого очень малую вероятность. Это опять же конечно много интегралов и граничных условий.

Фотон свободного пробега, испущенный ускорением электрона в магнитном поле Солнца, например, восемь минут назад, можно считать на массовой оболочке реальной частицей. При рассеянии электрона реакция снова будет описываться математически и быть вычислимой, и она будет зависеть от граничных условий и энергии фотона: связанный электрон? свободный электрон? от того, каков будет результат ("знать") рассеяния. Все это поддается расчету и с помощью диаграмм Фейнмана проще визуализировать.

Вы можете думать о фотоне как о кванте энергии. В этом случае он может сообщить свою кинетическую энергию заряженной частице или, наоборот, единица энергии может высвободиться, когда заряженная частица замедляется и теряет кинетическую энергию.