Photon als Träger der elektromagnetischen Kraft

Sie müssen sich darüber im Klaren sein, dass wir, wenn wir von Photonen sprechen, von Elementarteilchen sprechen und ihre Wechselwirkungen von der Quantenmechanik dominiert werden, nicht von der klassischen Mechanik, und außerdem ist die spezielle Relativitätstheorie erforderlich, um etwas über sie zu berechnen.

Im Allgemeinen wissen wir über Elementarteilchen Bescheid, weil wir ihre Spuren seit fast hundert Jahren in Detektoren beobachten. Wir sehen niemals ein Elektron oder ein Proton so, wie wir ein Staubteilchen sehen.

Dies ist der visuellste Detektor, ein Blasenkammerfoto von elektromagnetischen Ereignissen .

Hier sehen wir einige elektromagnetische Ereignisse wie Paarbildung oder Materialisierung eines hochenergetischen Photons in ein Elektron-Positron-Paar (grüne Bahnen), den Compton-Effekt (rote Bahnen), die Emission elektromagnetischer Strahlung durch beschleunigende Ladungen (violette Bahnen) (Bremsstrahlung) und die Knock-On-Elektronen oder Deltastrahlen (blaue Spuren)

Kommen wir nun zu Ihren Fragen:

1) Wie kamen wir zu „Elektronen tauschen virtuelle Photonen aus und das ist die Ursache der elektromagnetischen Kraft zwischen ihnen“, indem wir lediglich beobachteten, wie Elektronen Photonen absorbieren oder emittieren?

So sind wir nicht zu dieser Schlussfolgerung gekommen. Im Laufe der Jahre wurde eine sehr große Anzahl kontrollierter Streuungen von Elektronen an Materie untersucht, wie dieses Bild zeigt, und der theoretische Rahmen zur Berechnung der Wahrscheinlichkeit der Streuung und der Winkelverteilungen ist seit Jahren sehr gut entwickelt. Dies beinhaltet Mathematik, die nicht von Hand geschwenkt werden kann. Zunächst kann der Querschnitt eines Elektrons, das an einem Elektron gestreut wird, in eine Reihe von gefalteten Integralen geschrieben werden, die durch Feynman-Diagramme bildlich dargestellt werden können. In diesen Feynman-Diagrammen können die Propagatoren der Wechselwirkung zwischen den ankommenden und abgehenden Teilchen als virtuelle Photonen gedacht werden, weil sie die Quantenzahlen des Photons tragen, aber außerhalb der Massenhülle sind.

Alles zwischen den einfallenden Scheitelpunkten und den ausgehenden Scheitelpunkten ist virtuell, und ihre Realität hängt von der korrekten Darstellung der Quantenzahlen für das ausgetauschte Teilchen ab, in diesem Fall Photonenquantenzahlen.

2) Wenn Elektronen Photonen aufeinander werfen, bedeutet das nicht, dass sie nur streuen (abstoßen) sollten? Wenn dem so ist, warum ziehen sich Magnete an?

Virtuelle Photonen sind nicht wie Bälle, sie haben keine Massenhülle, sie sind ein nützliches mathematisches Konstrukt. Es gibt jedoch ein interessantes Analogon , bei dem zwei Boote, die Bälle aufeinander werfen, die abstoßenden Kräfte und Bumerangs die anziehenden Kräfte darstellen.

Kommen diese beiden Phänomene hier auf der Erde natürlich vor (kein LHC oder andere Teilchenbeschleuniger), in der oberen Atmosphäre oder nur im tiefen dunklen Weltraum?

Es gibt kosmische Strahlung aller Energien, den kosmischen Beschleuniger, und Elementarteilchen wurden zuerst in Emulsionen gesehen , die kosmischer Strahlung in großen Höhen ausgesetzt waren, zum Beispiel wurde so das Pion entdeckt. Jeder Prozess, der in Beschleunigern beobachtet wird, kann also gefunden werden, wenn man in kosmischer Strahlung genau genug hinschaut. Beschleuniger ermöglichen aufgrund der hohen möglichen Statistik detaillierte und exakte Messungen von Querschnitten und Verzweigungsverhältnissen usw.

2) Wenn Elektronen Photonen aufeinander werfen, bedeutet das nicht, dass sie nur streuen (abstoßen) sollten? Wenn dem so ist, warum ziehen sich Magnete an?

Ein Teil der Antwort scheint zu sein, dass die Position des Photons im Magnetfeld bestimmt, ob es ein Objekt an dieser Position scheinbar anzieht oder abstößt. Soweit mir bekannt ist, wird das Photon bei einer Wechselwirkung mit einem anderen Teilchen immer abstoßend wirken.