Woher "weiß" ein Photon, dass es eine Ladung hinterlassen hat und dass es zu einer anderen geht?

Sie sollten sich ein virtuelles Photon nicht als einzelnes Objekt vorstellen, das von einem geladenen Teilchen zum anderen wandert. Dieses Bild passt einfach nicht. Leider verleiten Feynman-Diagramme dazu, sich solche Dinge vorzustellen.

Tatsächlich sind Feynman-Diagramme gut für die Berechnung und schlecht für die Vorstellungskraft. Feynman-Diagramme wurden eingeführt, um Physikern zu helfen, die mathematischen Terme für die Störungsreihe zu sammeln. Und hier sind sie sehr hilfreich. Sie wurden nicht eingeführt, um den Menschen zu helfen, sich vorzustellen, was tatsächlich passiert.

Allerdings muss man immer im Hinterkopf behalten, wo virtuelle Teilchen in die Theorie einfließen: Sie kommen ins Spiel, wenn man die Störungsreihe berechnet. Eine Störungsreihe ist jedoch per Definition eine Annäherung. Es ist keine vollständige Theorie an sich. Wenn Sie es von dieser Seite betrachten, werden Sie erkennen, dass virtuelle Teilchen tatsächlich Artefakte der mathematischen Theorie sind. Wahrscheinlich haben sie sogar kein Gegenstück in der Realität.

In der QED beginnt man normalerweise mit Freifeld-Hamiltonian (oder Lagrangeian). Seine Eigenzustände sind freie Photonen- und freie Elektronen- oder andere Teilchenfelder. Freie Felder sind eigentlich eine Idealisierung: Sie kommen in der Natur nicht vor, da es immer eine Wechselwirkung gibt. Wenn die Teilchen jedoch weit voneinander entfernt sind, gelten Freifelder als gute Näherung.

Schaltet man nun die Wechselwirkung ein, sind die Freifeldzustände keine Eigenzustände des Hamiltonoperators mehr. Die neuen Eigenzustände sind komplizierte Mischungen der Freifeldzustände (wenn sie überhaupt im selben Hilbert-Raum leben). Das heißt, einen neuen Eigenzustand des Wechselwirkungs-Hamiltonoperators könnte man sich als neues Teilchen vorstellen, das eine komplizierte Mischung aus den Zuständen freier Teilchen und damit aus den Zuständen freier Photonen und Elektronen ist. Auf diese Weise sind Elektron und Photon keine getrennten Zustände mehr, sondern vermischen sich zu neuen Zuständen, solange die Wechselwirkung besteht.

In jedem Fall können die neuen Eigenzustände nicht explizit aufgelöst werden. Stattdessen verwenden die Wissenschaftler die Störungsreihe, um eine ungefähre Lösung für die Streuprozesse zu erhalten. In dieser Störungsreihe wird die Wechselwirkung so modelliert, dass sie an bestimmten spezifischen Punkten in Raum und Zeit stattfindet, während sich die Teilchen dazwischen als "freie" Teilchen ausbreiten. Diese sich dazwischen ausbreitenden Teilchen werden als virtuelle Teilchen bezeichnet. Sie sind eindeutig ein Artefakt der Störungsreihe und nicht etwas, was in der Realität passiert.

Die Ladung selbst ist ein Maß für die Wechselwirkung zwischen bestimmten Teilchen. Es ist nicht direkt beobachtbar. Auch hier sollten Sie es nicht als ein besonderes Merkmal eines Teilchens betrachten, das dieses Teilchen dazu bringt, andere (geladene) Teilchen anzuziehen oder abzustoßen (obwohl dies oft so gesehen wird). Andernfalls haben Sie in der Tat ein Problem zu verstehen, warum das Photon einen Beitrag leistet, da es keine Ladung trägt. Stattdessen führt Ladung zu einem Wechselwirkungsterm im Langragian und bewirkt, dass sich die an diesem Wechselwirkungsterm beteiligten Felder mischen. Die beitragenden Felder sind die Felder des geladenen Teilchens und das Photonenfeld.

Aus diesem Grund kann Ladung auch nicht direkt gemessen werden, sondern muss aus den Wechselwirkungsamplituden extrahiert werden, die durch die wechselwirkenden Felder gebildet werden. Diese Tatsache ist wichtig für die Renormierung der Quantenelektrodynamik. Die reine Ladung kann bei der Renomalisierung sogar unendlich werden, solange die über diese Wechselwirkungsamplituden gemessene Ladung einen vernünftigen, endlichen Wert hat.

Alle geladenen Teilchen senden ungeladene Photonen aus.

Das können sie, wenn die richtigen Randbedingungen gegeben sind.

Woher „weiß“ also das Photon, dass es eine Art Ladung hinterlässt und auf einer anderen „landet“?

Was Sie hier beschreiben, ist ein „ virtuelles Photon“, eine Wechselwirkung zwischen zwei geladenen Teilchen.

Es gibt den komplizierten Weg, dh mathematische Lösungen mit Integralen und Randwerten, zum Beispiel für das Problem „Elektronen-Elektronen-Streuung“, und es gibt das ikonische Hilfsmittel der Feynman-Diagramme, die eine Visualisierung des Vorgangs erlauben.

Ein mögliches Feynman-Diagramm für die Elektron-Elektron-Streuung: Elektronen (mit "e" bezeichnet) stoßen sich gegenseitig ab, weil eines ein Photon ("γ") ausspuckt, das auf das andere trifft. Unsere Regeln regeln alles andere.

Auf komplizierte Weise sind es die Lösungen der Streuamplitude und der Randbedingungen, die das "Wissen" erzeugen. Auf die mathematisch äquivalente, aber konzeptionell einfache, ikonische Weise wird deutlich, dass das Photon an das Elektron koppelt, und es ist ein virtuelles Photon, weil es sich nicht auf einer Massenhülle befindet. Es wird als "Austausch eines virtuellen Photons" bezeichnet, weil das Zwischenprodukt alle Quantenzahlen eines Photons trägt, außer dass seine Masse nicht unbedingt Null ist.

Während es nicht mit einem Neutrino (zum Beispiel) erster Ordnung koppelt, funktioniert diese Theorie, indem sie Daten beschreibt und neue Daten mit sehr großer Genauigkeit vorhersagt.

In erster Ordnung bedeutet, dass ein Elektron und ein Neutrino keine Chance haben, elektromagnetisch zu streuen, aber es gibt Feynman-Diagramme höherer Ordnung, die eine elektromagnetische Wechselwirkung zwischen geladen und neutral zulassen, obwohl sie dafür sehr kleine Wahrscheinlichkeiten geben. Es sind natürlich wieder viele Integrale und Randbedingungen.

Ein freilaufendes Photon, das zum Beispiel vor acht Minuten durch die Beschleunigung eines Elektrons im Magnetfeld der Sonne emittiert wurde, kann auf Massenhülle betrachtet werden, ein echtes Teilchen. An einem Elektron gestreut wird die Reaktion wieder mathematisch beschreibbar und berechenbar und hängt von den Randbedingungen und der Energie des Photons ab : gebundenes Elektron? freies Elektron? was das Ergebnis ("wissen") der Streuung sein wird. Es ist alles berechenbar und mit Hilfe von Feynman-Diagrammen einfacher zu visualisieren.

Sie können sich ein Photon als ein Energiequant vorstellen. In diesem Fall kann es seine kinetische Energie auf ein geladenes Teilchen übertragen, oder umgekehrt kann eine Energieeinheit freigesetzt werden, wenn ein geladenes Teilchen langsamer wird und kinetische Energie verliert