Wie unterscheiden sich Photonen der elektrostatischen und magnetostatischen Felder von elektromagnetischer Strahlung?

Ich verstehe, dass ein Photon elektromagnetischer Energie (Licht oder Radio) sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften hat und am besten mit der Quantenfeldtheorie modelliert wird. Ich verstehe auch, dass statische und elektrische Felder von derselben Theorie umfasst werden. Ich habe verschiedentlich gelesen, dass die Photonen dieser statischen Felder virtuell sind oder dass sie anders als elektromagnetische Photonen polarisiert (oder eine analoge Eigenschaft) sind.

Kann jemand, ohne tief in die Mathematik einzusteigen, die Beziehung zwischen den drei Arten von Feldern oder Photonen erklären?

Diese verlinkte Erklärung hilft sehr dabei, die Hintergrundkonzepte für jede Antwort bereitzustellen, obwohl sie die vollständigen Unterschiede nicht erörtert: profmattstrassler.com/articles-and-posts/…

Antworten (2)

Ich verstehe, dass die Frage sehr schwierig ist. Photonen als Wechselwirkungsboten kommen nur in der Quantenfeldtheorie vor. In der Quantenmechanik sind sie nicht vorhanden, sie werden durch ein Potential (in der Schrödinger-Gleichung) ersetzt. Die Beschreibung der "elektrostatischen Situation" in der Quantenfeldtheorie ist schwierig, da die am besten verstandene Beschreibung, die wir haben, auf der Störungstheorie basiert. Dort haben Sie ankommende Zustände (Teilchen aus unendlicher Vergangenheit und unendlicher Entfernung) und ausgehende Zustände (die in unendlicher Zukunft und unendlicher Entfernung existieren), und der Übergang von unendlicher Vergangenheit zu unendlicher Zukunft wird durch "Korrekturen" an Anfangszuständen beschrieben, um Endzustände zu bilden (man sagt: "S-Matrix-Evolution"). Der Rahmen der Störungstheorie passt sicherlich nicht zu "elektrostatischen" Problemen. Solche Probleme enthalten räumlich verteilte Ladungen (also keine freien einzelnen nicht wechselwirkenden Teilchen), die "immer" existieren, von Zeit minus Unendlich bis Zeit plus Unendlich. Mir ist nicht bekannt, wie eine solche Wechselwirkung in Bezug auf Photonen interpretiert werden sollte. Soweit ich weiß, verwendet man zur Beschreibung von Mesonen (oder anderen Teilchen) instarke Wechselwirkungen durch Leiter-Gluon-Diagramme. Vielleicht könnte eine solche Beschreibung (unter bestimmten Annahmen) in der Quantenelektrodynamik gültig sein. In diesem Fall könnte man sich die elektrostatische Situation als ständig austauschende virtuelle Photonen vorstellen. Ja, virtuell, sie existieren nicht "wirklich" (was "wirklich" existiert, sind externe Beine von Feynman-Diagrammen oder asymptotische eingehende und ausgehende Zustände, wenn Sie wollen).

Ein Problem, das ich mit der virtuellen Beschreibung habe, ist, dass die statischen Kräfte ziemlich stark sein können – viel stärker als beispielsweise die Schwerkraft oder der Casimir-Effekt. Aber es fällt mir schwerer zu glauben, dass ich auf einen Mangel von QFT gestoßen bin.
"Ein Problem, das ich mit der virtuellen Beschreibung habe, ist, dass die statischen Kräfte ziemlich stark sein können -" warum ist Integration ein Problem der Stärke? Virtuelle Photonen befinden sich per Definition in einem Kontinuum in unendlicher Zahl unter der Integration, und jede Stärke kann modelliert werden.
@anna: Diese "statischen" Kräfte können stark genug sein, um eine sehr reale Railgun abzufeuern oder einen Partikelstrom auf relativistische Geschwindigkeiten zu beschleunigen. Sie „virtuell“ zu nennen, sagt schon, was wir mit dem Begriff meinen.
Sie verstehen, was in diesem Fall virtuell bedeutet. Sie könnte bei der Integration unendlich groß sein und so groß wie nötig, nachdem das Integral durchgeführt wurde.

Ich verstehe, dass ein Photon elektromagnetischer Energie (Licht oder Radio) sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften hat und am besten mit der Quantenfeldtheorie modelliert wird.

Licht, Funk und niedrigere Frequenzen werden am besten unter Verwendung der klassischen elektromagnetischen Theorie modelliert, wo es sich selbst ausbreitende sinusförmige (daher Wellen) variierende elektrische und magnetische Felder gibt, deren Energie durch den Poynting-Vektor gegeben ist.

Höhere Frequenzen wie Röntgen- und Gammastrahlen werden auf quantenmechanischer Ebene als Energiephotonen behandelt = H v .

Generell lassen sich aber alle elektromagnetischen Wellen feldtheoretisch so modellieren, dass sie durch das Zusammentreffen unzähliger Photonen (Elementarteilchen) aufgebaut sind.

Ich verstehe auch, dass statische und elektrische Felder von derselben Theorie umfasst werden. Ich habe verschiedentlich gelesen, dass die Photonen dieser statischen Felder virtuell sind oder dass sie anders als elektromagnetische Photonen polarisiert (oder eine analoge Eigenschaft) sind.

Es gibt einen mathematischen Weg, statische elektrische und statische Magnetfelder mit virtuellen Photonen zu modellieren, wie hier diskutiert .

Statische Kraftfelder sind Felder, wie einfache elektrische, magnetische oder Gravitationsfelder, die ohne Anregungen existieren. Die gebräuchlichste Näherungsmethode, die Physiker für Streuungsberechnungen verwenden, kann als statische Kräfte interpretiert werden, die aus der Wechselwirkung zwischen zwei Körpern entstehen, vermittelt durch virtuelle Teilchen, Teilchen, die nur für kurze Zeit existieren und durch die Unschärferelation bestimmt werden. Die virtuellen Teilchen, auch Kraftträger genannt, sind Bosonen, wobei jeder Kraft unterschiedliche Bosonen zugeordnet sind

Somit können virtuelle Photonen verwendet werden, um die statischen elektrischen und magnetischen Felder mathematisch zu modellieren. ABER denken Sie daran, dass der Begriff "virtuelles" Teilchen bedeutet, dass es einer Integration unterliegt und einen sich ändernden Vierervektor innerhalb der Integrationsgrenzen für das gegebene Randbedingungsproblem hat. Virtuelle Photonen haben die Quantenzahlen eines Photons, aber nicht seine Masse (die für ein echtes Photon Null sein sollte). Virtuelle Teilchen werden immer innerhalb eines Feynman-Integrals ausgetauscht.

So gibt es die klassischen statischen elektrischen und statischen magnetischen Felder, es gibt klassische elektromagnetische Wellen und es gibt das quantenmechanische Elementarteilchen namens Photon. Eine mathematische feldtheoretische Methode existiert (zB hier ), um die klassische aus der Quantenform abzuleiten, ist die einfachste Summation.

Danke das hilft ein wenig. Aber ich bin mir nicht sicher, ob ich deutlich genug gemacht habe, dass die „drei Typen“, auf die ich mich beziehe, in der Quantenfeldtheorie elektrische, magnetische und elektromagnetische Photonen sind.
Woher hast du diese Idee? Es gibt nur eine Art von Photon und definiert ein Photonenfeld in der Mainstream-Physik afaik. Sehen Sie sich die Tabelle en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model an . sie bauen die klassische elektromagnetische Welle auf. Im Modell sind keine separaten elektrischen oder magnetischen vorhanden
Vielleicht ist "Typ" das falsche Wort, "Zustand" könnte angemessener sein. Die drei sind im Labor unterscheidbar, und es sind die Merkmale, die sie (in QFT) unterscheidbar machen, nach denen ich suche.
Nicht innerhalb der Mainstream-Theorien sind virtuelle Photonen Linien zwischen äußeren Eckpunkten von Feynman-Diagrammen, sie sind keine realen Teilchen, weil sie sich außerhalb der Massenhülle befinden, und tragen nur die anderen Quantenzahlen des benannten Teilchens für logistische / Erhaltungszwecke. Feynman-Diagramme basieren auf der Feldtheorie. Wenn man für statische Felder Feynman-Diagramme verwenden möchte, müsste man das echte Teilchen schreiben, das mit einem echten Teilchen im Unendlichen interagiert, um die Wechselwirkungseffekte eines statischen Felds zu erhalten. Ein masochistischer Versuch, da die klassische Elektrodynamik so gut zur Beschreibung statischer Felder geeignet ist
Wie ich Sie verstehe, sagen Sie, dass eine QFT-Beschreibung signifikante Wechselwirkungen im Unendlichen beinhalten würde und daher zu kompliziert und bizarr wäre, um einen Versuch wert zu sein. Das macht auf jeden Fall Sinn, danke. Aber es stellt sich immer noch die Frage, was ist die Quanteneigenschaft des echten "statischen Feld" -Photons, außer dass es mit einem anderen im Unendlichen interagiert, was dazu führt, dass man den Kringel ganz von der Seite zeichnet?
das elektromagnetische natürlich, das einfachste ist das Elektron Elektron, Seite 2 hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Particles/expar.html Das eine ist der Erzeuger des Feldes, das andere die Testladung.
Ich muss klarstellen, dass die Wechselwirkung statischer Felder mit geladenen Teilchen gut und einfach beschrieben werden kann. Es ist das statische Feld einer einzelnen Ladung, die ins Unendliche geht, was konzeptionelle mathematische Schwierigkeiten bereitet.
Sie haben gesagt, dass statische Felder in der QFT durch virtuelle Teilchen beschrieben werden, dass virtuelle Teilchen mit Dingen im Unendlichen interagieren, was wirklich schwierig ist, aber dass Wechselwirkungen statischer Felder leicht zu beschreiben sind. Ich finde diese Bemerkungen widersprüchlich. Diese Diskussion scheint nichts zu beantworten. Vielleicht müssen wir auf die grundlegendere Frage zurückkommen, was unterscheidet ein Photon eines statischen Feldes, wie es von QFT modelliert wurde, von einem Photon eines elektromagnetischen Wanderfeldes? Irgendwie muss es doch einen Unterschied in den Gleichungen geben, oder? Vielleicht könnten wir damit anfangen.
Noch einmal: Virtuelle Photonen sind eine mathematische Funktion, sie können nicht gemessen werden, das Integral über alle virtuellen Photonen ist die einzig messbare Größe.
Wollen Sie damit sagen, dass es keine Antwort auf meine ursprüngliche Frage gibt, dass die QFT die statischen Felder einfach nicht in Form von Quanten (Photonen) beschreiben kann? Andernfalls scheinen Sie den Kern der ursprünglichen Frage zu übersehen.
QFT ist ein mathematisches Modell, das sehr erfolgreich bei der Vorhersage messbarer Größen ist, weshalb es validiert ist. Es ist kein gutes Modell, um messbare Zahlen für elektrostatische und magnetostatische Werte messbarer Felder anzugeben, weil die Mathematik zu kompliziert ist. Innerhalb der QFT können die virtuellen Photonen, die nicht quantisiert, sondern kontinuierlich in der Integration sind, qualitativ verwendet werden, um den Aufbau der statischen Felder als Grenze für die Wechselwirkung geladener Teilchen in großen Entfernungen darzustellen.
In der QFT gibt es kein elektrisches und magnetisches Feld, es gibt Teilchenfelder, auf denen Erzeugung und Vernichtung wirken, um Teilchenwechselwirkungen zu modellieren. Selbst bei einfacher Elektronenstreuung wird das ausgetauschte Teilchen nicht quantisiert, die Theorie, denn die Feynman-Diagramme entstammen dem feldtheoretischen Ansatz, der auf Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren basiert. Es ist alles mathematische Modellierung.
Wie unterscheiden sich Photonen der elektrostatischen und magnetostatischen Felder von elektromagnetischer Strahlung?
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