Wie viele virtuelle Photonen emittiert ein Ruheelektron sofort pro Zeit?

Möglicherweise möchten Sie eine einfachere Erklärung, je nachdem, nach welcher Tiefe Sie suchen. Um sagen zu können, wie viele Photonen pro Zeit emittiert werden, muss man die Photonen zählen können. Zählen bedeutet, dass Sie eine Formel verwenden können, die Ihnen sagt, wie viele Teilchen es gibt. In der QFT zählt man die Anzahl der Teilchen, indem man den sogenannten Zahlenoperator auf den Zustand anwendet, der das Teilchen beschreibt. Nun beschreiben Zustände äußere Teilchen; Die virtuellen Teilchen, von denen Sie sprechen, sind ein theoretisches Konzept und sie haben keine entsprechenden Zustände. Virtuelle Teilchen sind ein Name für ein Konzept, das aus der Störungstheorie stammt; sie haben keinen entsprechenden Zustand. Infolgedessen können Sie sie nicht zählen, da es nichts gibt, worauf der Zahlenoperator reagieren kann. Diese Antwort beschönigt viele Details und Annahmen,

Erstens sind virtuelle Photonen nicht real, sie sind eine mathematische Methode zur Beschreibung des (in Ihrem Fall) stationären elektrischen Feldes um das Elektron.

Dieses Feld existiert um das Elektron herum. Es ist etwas, das QM/QFT mathematisch zu beschreiben versucht, weil sie in realen Teilchenbegriffen nicht beschreibbar sind.

Virtuelle Photonen gehorchen einigen Gesetzen nicht, zum Beispiel halten sie sich nicht an die Geschwindigkeitsbegrenzung c.

Virtuelle Photonen sind eine Möglichkeit, die Wechselwirkung zwischen dem Elektronenfeld (Ladungsfeld) und den Feldern anderer Teilchen zu beschreiben, zum Beispiel dem Feld eines Protons (starkes Kraftfeld, weil Quarks das Proton bilden). Das Protonenfeld interagiert mit dem Elektronenfeld durch den Austausch virtueller Photonen. So ziehen sich Protonen und Elektronen an.

Aber diese Interaktion und der Austausch virtueller Photonen verwirrt Sie. Dies ist kein echter Teilchenaustausch. Es werden dabei keine echten Teilchen ausgetauscht.

Nun wird diese Wechselwirkung in der Mathematik als Austausch virtueller Photonen bezeichnet. Aber wir wissen nicht, ob tatsächlich etwas zwischen einem Proton und dem Elektron ausgetauscht wird.

Wir wissen, dass das Proton und das Elektron elektromagnetisch (und auch gravitativ) interagieren.

Nun, diese EM-Wechselwirkung zwischen dem Proton und dem Elektron bewirkt, dass sie sich anziehen. Wir beschreiben diese Wechselwirkung mit dem Austausch virtueller Photonen. Dies sind keine echten Photonen. Sie sind abseits der Massenschale. Sie halten sich nicht an die Geschwindigkeitsbegrenzung c.

Jetzt fragen Sie, wie viele virtuelle Photonen zwischen dem Proton und dem Elektron ausgetauscht werden. Sie sind verwirrt, weil Sie erfahren haben, dass EM-Energie quantisiert ist. Das kleinste Stück dieser EM-Energie ist das echte Photon. Nicht das virtuelle Photon.

Sowohl das Proton als auch das Elektron haben ein statisches EM-Feld um sich herum. Ihre Frage ist, ob dieses statische EM-Feld quantisiert ist.

Selbst wenn Sie versuchen würden, dieses statische Feld um die Ladung herum zu messen und es dann in Stücke zu zerlegen und sie virtuelle Photonen zu nennen, wäre dies nicht real. In Wirklichkeit emittieren in diesem Fall weder das Elektron noch das Proton etwas.

Das statische EM-Feld um die Ladungen wird nicht durch die Emission realer Teilchen erzeugt. Wir können sie nicht zählen, weil kein echtes Teilchen emittiert wird.

Was wir wissen, ist, dass das statische EM-Feld um die Ladung der Schwerkraft etwas ähnlich ist. Mal sehen, wie ähnlich.

Jetzt ist Stress-Energie die Quelle der Schwerkraft. Dadurch entsteht um eine Masse herum ein Gravitationsfeld. Wie viele virtuelle Gravitonen emittiert die Sonne sofort pro Zeit? Ebenso sendet die Sonne keine virtuellen Gravitonen aus. Dies ist nur ein theoretischer (und experimentell noch nicht bewiesener) Weg, um die Gravitationswirkung von Stress-Energie (Masse) zu beschreiben.

Wie erklären wir also, dass die Schwerkraft (Stress-Energie) mit den Feldern anderer Teilchen interagiert? Wir sagen, dass die Schwerkraft die Raumzeit krümmt. So beschreiben wir es anstelle von virtuellen Gravitonen. Aber die Realität ist, dass die Schwerkraft einen Einfluss auf das Gewebe der Raumzeit hat, so dass alles, was mit dem Gravitationsfeld interagiert, davon beeinflusst wird.

Wenn es eine Ladung gibt, wie in Ihrem Fall ein Elektron, und es ein statisches EM-Feld um sich herum hat, wird alles, was elektromagnetisch interagiert, davon beeinflusst. Sagen wir ähnlich, dass EM die Raumzeit krümmt? Eigentlich schon. Aber es ist indirekt. Was wir sagen können, ist, dass die Ladung einen Einfluss auf das Gewebe der Raumzeit hat und alles, was mit dem EM-Feld interagiert, davon betroffen sein wird.

So wie Stressenergie (oder die Masse der Sonne) in Wirklichkeit keine virtuellen Gravitonen aussendet und wir die virtuellen Gravitonen nicht zählen können, sagen wir in ähnlicher Weise, dass das Elektron in Ihrem Fall in Wirklichkeit keine virtuellen Photonen aussendet, und wir kann sie nicht zählen.

Sowohl das Elektron als auch das Proton erzeugen also ein Feld, das sich auf das Gewebe der Raumzeit auswirkt, und diese Felder interagieren miteinander. So ziehen sie an. Mathematisch beschreiben wir sie als Austausch virtueller Photonen. In Wirklichkeit wird kein echtes Teilchen ausgetauscht.

Das EM-Feld ist quantisiert, aber virtuelle Photonen sind nicht die echte Quantisierung des statischen EM-Felds um das Elektron und das Proton.

Ein einzelnes Elektron (oder eine Ladung) im leeren Raum mit seinem Coulomb-Feld ist eine Abstraktion. Das Feld macht Sinn, wenn es als äußeres Feld (Kraft) in der Bewegungsgleichung einer anderen Ladung steht.

Im Allgemeinen werden die virtuellen Photonen dem sogenannten Nahfeld zugeordnet – es ist ein retardiertes Feld, das sich nicht bis ins Unendliche ausbreitet. Es zerfällt mit der Entfernung als$1/R^2$. Es kann gebundene Ladungszustände erzeugen, wenn es attraktiv ist. Beachten Sie, dass jede Ladung eine Quelle ihres eigenen Feldes ist, das für die anderen Ladungen extern ist.

Nun kann dieses retardierte Nahfeld eines Elektrons in Harmonische mit unterschiedlichen Frequenzen zerlegt werden und diese Harmonischen können "virtuelle Photonen" genannt werden. Sogar für das Coulomb-Feld$\vec{E}(\vec{R})\propto 1/R^2$es gibt viele virtuelle Photonen, alle mit der Frequenz Null, aber mit unterschiedlichen Wellenvektoren$\vec{k}$. Bei einem sich gleichförmig bewegenden Elektron sind die Frequenzen aufgrund der Zeitabhängigkeit des Elektronenfeldes nicht Null.