Aus dem Austausch von Photonen entsteht die elektromagnetische Kraft [Duplikat]

Update: Ich habe diese Antwort durchgesehen und einige Teile geklärt. Am wichtigsten ist, dass ich den Abschnitt " Kräfte " erweitert habe, um eine bessere Verbindung zur Frage herzustellen.

Ich mag deine Argumentation und du kommst tatsächlich zu den richtigen Schlussfolgerungen, also herzlichen Glückwunsch dazu! Aber die Beziehung zwischen Kräften und Teilchen zu verstehen, ist nicht so einfach, und meiner Meinung nach ist das Beste, was man tun kann, Ihnen eine Beschreibung von unten nach oben zu geben, wie man zum Begriff der Kraft gelangt, wenn man mit Teilchen beginnt. Hier kommt also die gewünschte Firmware. Ich hoffe, Sie finden es nicht zu langatmig.

Teilchenphysik

Beginnen wir also mit der Teilchenphysik. Die Bausteine ​​sind Teilchen und Wechselwirkungen zwischen ihnen. Das ist alles dazu. Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Bündel von Teilchen verschiedener Art (massiv, masselos, skalar, vektoriell, geladen, farbgeladen usw.) und zunächst könnten Sie annehmen, dass alle Arten von Prozessen zwischen diesen Teilchen erlaubt sind (z. B. drei Photonen, die sich treffen bei ein Punkt und erzeugt ein Gluon und ein Quark; oder trennt Elektronen, die sich an einem Punkt treffen, und erzeugt vier Elektronen, ein Photon und drei Gravitonen). Physik könnte tatsächlich so aussehen und es wäre ein unfassbares Durcheinander, wenn es das täte.

Zum Glück für uns gibt es nur wenige Organisationsprinzipien, die die Teilchenphysik einigermaßen einfach machen (aber nicht zu einfach, wohlgemerkt!). Diese Prinzipien sind als Erhaltungssätze bekannt. Nachdem wir eine große Anzahl von Experimenten durchgeführt hatten, waren wir überzeugt, dass die elektrische Ladung erhalten bleibt (die Anzahl ist vor und nach dem Experiment gleich). Wir haben auch festgestellt, dass das Momentum erhalten bleibt. Und viele andere Dinge auch. Das bedeutet, dass Prozesse wie die, die ich zuvor erwähnt habe, bereits ausgeschlossen sind, weil sie gegen einige dieser Gesetze verstoßen. Nur Prozesse, die (sehr strenge) Erhaltungsauflagen überleben können, sind in einer Theorie, die unsere Welt beschreiben könnte, als möglich anzusehen.

Ein weiteres wichtiges Prinzip ist, dass wir unsere Interaktionen einfach wollen. Dieser ist nicht experimenteller Natur, aber er ist ansprechend und auf jeden Fall ist es einfacher, mit einfacheren Interaktionen zu beginnen und erst, wenn das nicht funktioniert, zu versuchen, komplexere einzuführen. Wiederum zu unserem Glück stellt sich heraus, dass grundlegende Interaktionen sehr einfach sind. An einem gegebenen Wechselwirkungspunkt befinden sich immer nur wenige Teilchen. Nämlich:

• zwei: Teilchen ändern die Richtung
• drei:
  • Partikel, die ein anderes Partikel absorbieren, z$e^- + \gamma \to e^-$
  • oder ein Teilchen zerfällt in zwei andere Teilchen$W^- \to e^- + \bar\nu_e$
• vier: diese haben keine so schöne Interpretation wie die obigen; aber um jemandem ein Beispiel zu geben, man hat z. B. zwei Gluonen, die hineingehen, und zwei Gluonen, die hinausgehen

Ein Beispiel für einen so einfachen Prozess ist die Elektronenabsorption eines Photons. Das verstößt gegen kein Erhaltungsgesetz und entpuppt sich tatsächlich als Baustein einer Theorie des Elektromagnetismus. Auch die Tatsache, dass es eine schöne Theorie für diese Wechselwirkung gibt, hängt mit der Tatsache zusammen, dass die Ladung erhalten bleibt (und im Allgemeinen gibt es eine Beziehung zwischen der Erhaltung von Mengen und der Art und Weise, wie wir unsere Theorien aufbauen), aber diese Verbindung wird besser aufgehoben eine andere Frage.

Zurück zu den Kräften

Sie fragen sich also, worum es bei all dem langen und langweiligen Gerede ging, nicht wahr? Der Hauptpunkt ist: Unsere Welt (wie wir sie derzeit verstehen) wird tatsächlich durch all diese verschiedenen Teilchenarten beschrieben, die überall allgegenwärtig sind und durch die bizarren Wechselwirkungen interagieren, die die Erhaltungsgesetze erlauben.

Wenn man also die elektromagnetische Kraft ganz unten verstehen will, gibt es keinen anderen Weg (eigentlich gibt es einen und ich werde ihn am Ende erwähnen; aber ich wollte das Bild nicht zu kompliziert machen), als sich riesig vorzustellen Anzahl von Photonen, die umherfliegen und ständig von geladenen Teilchen absorbiert und emittiert werden.

Lassen Sie uns dies anhand Ihres Problems der Coulomb-Wechselwirkung zwischen zwei Elektronen veranschaulichen. Der vollständige Beitrag zur Kraft zwischen den beiden Elektronen besteht aus allen möglichen Kombinationen elementarer Prozesse. ZB das erste Elektron sendet ein Photon aus, das dann zum anderen Elektron fliegt und absorbiert wird, oder das erste Elektron sendet ein Photon aus, das sich in ein Elektron-Positron-Paar ändert, das sich schnell zu einem anderen Photon rekombiniert und dieses dann zum zweiten Elektron fliegt und absorbiert wird. Es gibt eine große Anzahl dieser Prozesse, die berücksichtigt werden müssen, aber tatsächlich tragen die einfachsten am meisten dazu bei.

Aber während wir bei der Coulomb-Kraft sind, möchte ich den auffälligen Unterschied zum klassischen Fall erwähnen. Dort sagt Ihnen die Theorie, dass Sie auch dann ein EM-Feld haben, wenn ein Elektron vorhanden ist. Aber in der Quantentheorie würde das keinen Sinn machen. Das Elektron müsste Photonen emittieren (weil dies dem Feld entspricht), aber sie hätten keinen Ort, an den sie fliegen könnten. Außerdem würde das Elektron Energie verlieren und wäre daher nicht stabil. Und es gibt verschiedene andere Gründe, warum dies nicht möglich ist.

Worauf ich hinaus will ist, dass ein einzelnes Elektron kein EM-Feld erzeugt, bis es auf ein anderes geladenes Teilchen trifft! Eigentlich sollte das Sinn machen, wenn man eine Weile darüber nachdenkt. Wie erkennt man, dass ein Elektron vorhanden ist, wenn überhaupt nichts anderes vorhanden ist? Die einfache Antwort lautet: Sie haben Pech, Sie werden es nicht bemerken. Sie brauchen immer einige Testpartikel. Das klassische Bild eines elektrostatischen EM-Feldes eines Punktteilchens beschreibt also nur, was passieren würde, wenn ein anderes Teilchen in dieses Feld eingefügt würde.

Der obige Vortrag ist Teil des größeren Bündels von Problemen mit der Messung (und sogar der eigentlichen Definition) der Masse, Ladung und anderer Eigenschaften von Systemen in der Quantenfeldtheorie. Diese Probleme werden durch Renormalisierung behoben, aber lassen wir das für einen anderen Tag.

Quantenfelder

Nun, es stellt sich heraus, dass all das oben Gerede über Teilchen (obwohl optisch ansprechend und technisch sehr nützlich) nur eine Annäherung an das genauere Bild ist, dass es nur ein Quantenfeld für jeden Teilchentyp gibt und die riesige Anzahl von Teilchen überall nur entsprechend ist scharfe lokale Spitzen dieses Feldes. Diese Felder interagieren dann durch recht komplexe Wechselwirkungen, die sich auf das übliche Teilchen-Zeug reduzieren, wenn man sich einmal ansieht, was diese Spitzen tun, wenn sie nahe beieinander liegen.

Diese Feldansicht kann für bestimmte Themen ziemlich aufschlussreich und für andere ziemlich nutzlos sein. Ein Ort, an dem es wirklich aufschlussreich ist, ist, wenn man versucht, das spontane Auftreten sogenannter virtueller Teilchen-Antiteilchen-Paare zu verstehen. Es ist nicht klar, woher sie als Partikel erscheinen. Aber aus Sicht des Feldes sind es nur lokale Anregungen. Man sollte sich das Quantenfeld als ein Blatt vorstellen, das ständig herumwackelt (durch das inhärente Quantenwackeln) und von Zeit zu Zeit stark genug wackelt, um einen Peak zu erzeugen, der dem erwähnten Paar entspricht.

Meines Wissens ist die elektromagnetische Kraft immer da, sobald geladene Teilchen platziert sind, ununterbrochen. Gemäß einer solchen Logik muss es einen Strom von unendlichen Photonen geben, um EM-Kraft aufzubauen, und es darf kein Intervall zwischen einem „Austauschereignis“ zum anderen geben.

Nö. Jedes Austauschereignis erfordert eine endliche Menge an Zeit und Energie. Also, nein, Elektronen erfahren keine "kontinuierliche" Kraft. Auf der Quantenebene würde man im Allgemeinen keine kontinuierlichen Prozesse erwarten. Außerdem verschmelzen Sie zwei verschiedene Bilder von Interaktion. In einem klassischen Rahmen ja, die Em Force ist "immer da". Dies gilt nicht für eine Quantenbeschreibung. Google Checkerboard-Modell , um etwas über solch ein diskretes Bild der Dynamik für Elementarteilchen zu erfahren.

Stellen Sie sich zwei Personen vor, die in Autos auf einer glatten Oberfläche sitzen und sich mit Schneebällen bewerfen. Jedes Mal, wenn Person A einen Ball mit Schwung wirft$\vec{k}$er/sie gewinnt an Fahrt$-\vec{k}$. Wenn Person B den Schneeball fängt, gewinnt er/sie unter der Annahme eines perfekt elastischen Fangs an Schwung$\vec{k}$. Am Ende dieses Prozesses hat A gewonnen$-\vec{k}$Schwung und B hat gewonnen$\vec{k}$. Der Gesamtimpuls des Systems bleibt erhalten. Für einen externen Beobachter sieht es so aus, als hätten sich A und B "abgestoßen". Wie man diese Analogie ausdehnt, um "Anziehung" zwischen Objekten hervorzurufen, ist mir zu diesem Zeitpunkt nicht klar - aber lassen Sie mich vorerst annehmen, dass es möglich ist.

Nun, für die elektromagnetischen und Gravitationsfelder haben die fraglichen "Schneebälle" - das Photon und das Graviton - eine Null (oder verschwindend kleine) Masse. Es braucht nicht viel Mühe für A und B, diese masselosen Schneebälle zu werfen, was zu der Langstreckennatur dieser Kräfte führt.

Bitte korrigieren Sie mich, wenn ich falsch liege: Die Anregungen von Photonen und Pionen kommen alle aus dem Nichts. Es sollte also überall EM-Kraft und starke Kraft geben, egal welche Art von Teilchen da draußen ist. Angenommen, sogar elektrisch neutrale, dipolfreie Teilchen können dazwischen EM-Kräfte aufbauen.

Falsch. Photonen und Gravitonen entstehen nicht aus dem „Nichts“. Um einen klischeehaften Ausdruck zu verwenden – „nichts“ kommt von „nichts“. Sie sind, wie @marek erwähnte, aus dem Grundzustand oder Vakuum des betreffenden Feldes entlehnt . Und ja, „elektrisch neutrale, dipolfreie Teilchen“ können allein durch Quantenfluktuationen anziehende Wechselwirkungen entwickeln. Dies ist der Ursprung der Van-der-Waals-Kraft.

Für Kerne [sic.] wird das Szenario sogar noch merkwürdiger. Die starke Wechselwirkung zwischen Protonen wird durch den Austausch massiver Pionen verursacht. Es hört sich so an, als würden die Protonen einander einen Strom von Bällen zuwerfen, um eine Anziehungskraft aufzubauen – und die Bälle sollten aus dem Nichts kommen.

Gerade weil die "Schneebälle" (Pionen) massiv sind, ist die starke Kraft nur von kurzer Reichweite und auf eine begrenzte Region des Raumes beschränkt - dh den Kern! Noch einmal, die Pionen kommen nicht aus dem Nichts. Protonen, Neutronen, Pionen und alle anderen Anregungen entstehen aus dem gleichen Vakuum und sollten zu Recht eher als „Quasiteilchen“ denn als Elementarteilchen bezeichnet werden. Was die Natur dieses Vakuums ist, versuchen wir immer noch herauszufinden ;)

Die ursprüngliche Frage schien meiner Meinung nach sehr verwirrt zu sein. Ich habe einen Kommentar zur ursprünglichen Frage geschrieben (siehe oben), den ich wie folgt leicht paraphrasiere:

OK, also haben wir Ihre Frage zugespitzt. Sie wollen wissen, 1. was virtuelle Teilchen sind und 2. wie im Prinzip aus ihrem Austausch reale Kräfte entstehen, zB a) wie entsteht durch den Austausch der virtuellen Eichbosonen der EM (virtuelle Photonen) die EM-Kraft , b) wie führt der Austausch virtueller Eichbosonen der starken Wechselwirkung (virtuelle Gluonen) zur starken Kraft, und c) ähnlich für W und Z0 und die schwache Wechselwirkung? Sie wollen nicht die Details, sondern das Grundprinzip, wie der Austausch virtueller Teilchen eine reale Kraft ergeben kann.

Als Antwort auf Frage Nr. 1 Was sind virtuelle Teilchen? - Ich schlug vor, dass er/sie bei http://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_particle beginnt

Als Antwort auf Fragen #2. Wie entstehen prinzipiell durch den Austausch virtueller Eichbosonen reale Kräfte? Siehe dazu Siehe http://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier

Zur Beantwortung der Fragen Nr. 2b und 2c, dh im Grundstudium einige Hinweise geben, wie diese gleiche Art von Feynman-Diagrammen auch auf die starken und schwachen Wechselwirkungen angewendet werden könnte, siehe http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase /partikel/expar.html

Für ein beliebtes Nachschlagewerk, das dem offensichtlichen Wissensstand des Originalplakats entspricht, habe ich zur Sicherheit diese kostenlose Referenz zu The Particle Century von Gordon Fraser gegeben . IMHO wird das Originalplakat am besten von einer Liste guter halb populärer Bücher zu diesen Themen bedient. Konstruktive zusätzliche Kommentare zu meinem Antwortversuch könnten am besten durch eine Liste solcher Bücher dienen, die von den Kommentatoren sehr geschätzt wurden, für a) allgemeine Studenten b) Physikstudenten und c) möglicherweise sogar HS-Studenten.