Geschwindigkeit elektromagnetischer Wechselwirkungen

Wir wissen, dass elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit fliegen, aber meine Frage geht nicht um Wellen. Stellen Sie sich einen sehr starken Elektromagneten vor, der in 3 Metern Entfernung ein beträchtliches Feld erzeugt. Dann schicken wir ein auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigtes Proton vorbei. Das Proton wechselwirkt mit dem Feld des Magneten und wird abgelenkt.

Das Feld wird durch die Elektronen im Draht des Elektromagneten erzeugt. Die Wechselwirkung des Protons mit dem Feld ist ein Quantenaustausch von Energie, Impuls usw. zwischen dem Proton und diesen Elektronen. Ob wir diesen Austausch als „vermittelnde virtuelle Photonen“ bezeichnen oder nicht, ist hier nicht wirklich wichtig. Meine Frage bezieht sich auf die Geschwindigkeit dieses Austauschs.

Wie sind die aktuellen Ansichten zum Zeitpunkt dieses Austauschs? Sind sie augenblicklich oder durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt? Würden sie, wenn sie augenblicklich erfolgten, das Opfer nicht verletzen, indem sie Informationen und Energie schneller als Licht übertragen?

Wenn der Austausch mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt, treten eine Reihe von Problemen auf. Erstens muss der Austausch gerichtet sein. Sagen wir, wenn ein Elektron im Draht "ein virtuelles Photon" in Richtung des Protons emittiert, dann wäre das Proton 3 Meter von dieser Position entfernt, wenn "das virtuelle Photon" ankommt. Die Elektronen müssten also auf die zukünftige Position des Protons zielen, um es zu treffen. Das macht keinen Sinn und ist wahrscheinlich einer der Gründe, warum das Modell der „virtuellen Teilchen“ nicht bevorzugt wird. Zweitens müsste ein virtuelles Photon für eine Nanosekunde existieren, was seine Energie nach dem Unsicherheitsprinzip stark einschränken würde.

Kann bitte jemand die tatsächliche Physik hinter den elektromagnetischen Wechselwirkungen aus zeitlicher Sicht klären? Mit Physik meine ich hier physikalische Observable, etwas, das wir messen können. Die Verwendung von Quantenfeldern mathematischer Wahrscheinlichkeiten ist in Ordnung, solange sie mit beobachtbaren Werten verknüpft sind.

Betreff: Sie können den Elektromagneten dort gerne durch eine statische Aufladung ersetzen. Aber Aufladung und magnetischer Dipol sind völlig verschiedene Dinge. Im Coulomb-Messgerät haben wir eine Gleichung Δ ϕ = − 4 π ρ ohne Zeitableitungen, was eine sofortige Ausbreitung von bedeutet ϕ . Aber es gibt keine Kausalitätsverletzung, da die Ladung eine Erhaltungsgröße ist und es zu jedem Zeitpunkt dieselbe Ladung geben würde (es werden keine Informationen superluminal übertragen). Der magnetische Dipol ist keine konservierte Größe, Sie könnten ihn ein- und ausschalten, sodass sich Informationen darüber mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten würden …
… Übrigens sind die No-Hair-Theoreme der Schwarzen-Loch-Physik ein guter Indikator für die Ausbreitungsgeschwindigkeit: Die Felder, die Informationen über Masse (gravimagnetischer Monopol), Drehimpuls (gravimagnetischer Dipol) und Ladung tragen, breiten sich augenblicklich aus, haben also keine Probleme Flucht aus dem Schwarzen Loch. Informationen über das magnetische Dipolmoment breiten sich jedoch mit Lichtgeschwindigkeit aus, und daher hat das Schwarze Loch kein unabhängiges magnetisches Dipolmoment (es hat einen durch Rahmenziehen induzierten magnetischen Dipol, der proportional zu Ladung und Spin ist). Diese Version von No-Hair Thm., IIRC, gehört J. Bekenstein.
Der Rückstoß der statischen Aufladung wird also gegenüber der Ablenkung um die Lichtgeschwindigkeit verzögert. Und wenn wir den Rahmen ändern, um die andere Ladung statisch zu machen, kehrt sich die Situation aufgrund der Relativität der Gleichzeitigkeit um. Danke, verstanden! Ein interessanter Einblick in Schwarze Löcher. Ich verstehe es sehr gut und es ist ziemlich elegant. Intuitiv sollte es auch außerhalb aller am Horizont befindlichen Materie und Ladungen äquivalent sein.
Hier ist ein relevantes Papier zu diesem Thema: arxiv.org/abs/gr-qc/9909087 . Obwohl der Titel von „Geschwindigkeit der Schwerkraft“ spricht, enthält er einen Abschnitt über EM als Aufwärmphase.
@AVS Danke! Ich hatte eine Frage, die auf genau diesem Artikel basiert :) Auch ohne gute Antwort: physical.stackexchange.com/questions/492870/…

Antworten (1)

Virtuelle Photonen sind in erster Linie ein mathematisches Konzept, das verwendet wird, um einige Teilcheninteraktionsberechnungen zu vereinfachen. Sie sind physisch nicht real – daher der Name – aber manchmal können sie dabei helfen, über eine Interaktion nachzudenken.

Was Ihren Elektromagneten betrifft: Wenn der Magnet bereits eingeschaltet war, bevor das Proton ankam, war das Feld bereits vorhanden und statisch, sodass es keine Rolle spielt, wann das Proton ankommt. Um das virtuelle Photonenbild zu verwenden, wird ein statisches Feld von einem Objekt erzeugt, das ständig virtuelle Photonen in alle Richtungen aussendet, unabhängig davon, ob es ein anderes Objekt gibt, das sie abfängt oder nicht. Wenn also das Proton am Magneten vorbeiläuft, sind dort bereits virtuelle Photonen, die es zur Seite schieben.

Wenn das Feld zunächst ausgeschaltet ist, muss es zumindest eingeschaltet werden D / C Sekunden bevor das Proton ankommt, wo D ist der Abstand vom Elektromagneten zum Weg des Protons durch das Feld und C ist die Lichtgeschwindigkeit. Wenn der Elektromagnet eingeschaltet wird, wird das von ihm erzeugte Feld an einem Punkt nach einer Verzögerung aufgrund der Lichtgeschwindigkeit aufgebaut.

Danke für die Antwort, aber sie beantwortet meine Zeitfrage in Bezug auf physikalische Observables nicht. Ich kaufe nicht die Idee einer Ladung, die ständig "virtuelle Photonen auswirft". Es macht einfach keinen Sinn, besonders wenn man bedenkt, dass es sie nicht gibt. Ich kaufe auch nicht die "Feld"-Idee, da sie auf der Quantenebene nicht beobachtbar ist. Wenn die Wechselwirkung stattfindet, gibt es einen Austausch von Energie und Impuls, die beobachtbar sind. Zu welchem ​​Zeitpunkt erfolgt dieser Austausch zwischen zwei geladenen Teilchen? Gleichzeitig? Sofort? Mit Lichtgeschwindigkeit verzögert? Gerichtet? Wäre super wenn du das erklären könntest :)
@safesphere Ich bin mir nicht sicher, was Sie mit "Felder sind auf Quantenebene nicht beobachtbar" meinen. In der Quantenfeldtheorie existieren nur Felder . Einzelne Partikel sind stabile Wellen in den Feldern. Zum Beispiel. Es gibt ein einzelnes Elektronenfeld, das das Universum umspannt. Jedes Elektron ist eine Welligkeit/Welle in diesem Feld. Das Elektronenfeld kann mit dem elektromagnetischen Feld (dessen Wellen Photonen sind) interagieren, und so haben Elektronen eine elektrische Ladung, die um sie herum ein nachweisbares elektrisches Feld erzeugt.
"Es existiert" bedeutet verschiedene Dinge in Mathematik und Realität. Quantenfelder „existieren“ nur in der Vorstellung. Sie existieren nicht im physikalischen Sinne, weil sie Wahrscheinlichkeitsfelder sind , was eine mathematische Abstraktion ist. Sie können sie verwenden, um die Verteilung der zu detektierenden Elektronen vorherzusagen , aber die Observablen hier sind Elektronen, nicht die Felder. Der Standpunkt „Nur Felder“ scheint ein aufkommendes Berufsrisiko zu sein, wenn die physikalische Realität hinter Formeln verloren geht :) Siehe diese perfekte Antwort: physical.stackexchange.com/questions/360902/…
@safesphere Angesichts dessen, wie seltsam sich die Natur herausstellt und wie erfolgreich die mathematischen Formeln vorhersagen, was die Realität tut, zögere ich, Wellen und Felder als imaginär zu bezeichnen. Möglicherweise ist mathematische Abstraktion der beste Weg, um an die Realität heranzukommen, die so weit von unserer alltäglichen Erfahrung entfernt ist. Wenn die Formeln, mit denen wir die Verteilung der detektierten Elektronen vorhersagen können, besagen, dass sie sich vor der Detektion als Wellen bewegen, dann verleiht die genaue Vorhersage der endgültigen Verteilung der detektierten Elektronen der Realität der Wellen Gewicht.
@safesphere In Annas Antwort, auf die Sie verlinkt haben, werden die Spuren in der Blasenkammer von hochenergetischen Teilchen erzeugt, von denen vorhergesagt wird, dass sie sich aufgrund ihrer sehr kurzen Wellenlänge (großer Impuls) wie Teilchen verhalten.
Entschuldigung für eine leichte Verzögerung ;) Letzte Klarstellung, wenn ich bitte darf :) Wenn das Proton mit dem Feld interagiert und abgelenkt wird, wird konzeptionell eine Stromspitze im Elektromagnetdraht auftreten. Was wäre der Zeitpunkt dieser Spitze relativ zum Moment der Ablenkung? Unwahrscheinlich sofort, also vielleicht eine Verzögerung von einer Nanosekunde? Wie ist diese Verzögerung zu erklären? Virtuelle Photonen, die vom Ablenkpunkt zu den Elektronen im Draht wandern? Oder irgendein anderer Mechanismus? Danke!
@safesphere Im Ruhesystem des Elektromagneten scheint ein entgegenkommendes Proton, das sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, ein sehr schwaches elektrisches Feld zu haben, bis es sich direkt neben dem Magneten befindet. Es wird durch die Lichtgeschwindigkeit verzögert, ähnlich wie Sie ein Flugzeug nicht hören können, das sich mit Schallgeschwindigkeit bewegt, bis es Sie erreicht - der Schall kann dem Flugzeug nicht sehr weit voraus sein. Welche Wirkung auch immer das Proton auf den Elektromagneten hat, es kommt nach einer Lichtgeschwindigkeitsverzögerung nach der Ablenkung. Außerdem gibt ein abgelenktes Proton echte nachweisbare Photonen ab (siehe Zyklotronstrahlung).
@safesphere Verwechseln Sie virtuelle Photonen, ein mathematisches Konzept, das verwendet wird, um einfache Diagramme in Wahrscheinlichkeitsberechnungen umzuwandeln, nicht mit dem, was in der Realität passiert.
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