电磁力如果通过交换光子传递,能否在磁铁旁边放置胶片使其感光?

作者: 卢健龙

来源: 科学世界

发布日期: 2022-01-05 18:30:00

本文讨论了电磁相互作用中虚光子的交换,以及这种虚光子与通常意义上的光子的区别。文章通过类比和费曼图解释了虚光子的作用和不可观测性,并探讨了在磁铁旁边放置胶片使其感光的可能性。

电磁相互作用中交换的是虚光子,而不是通常意义上的光子。包括虚光子在内的虚粒子出现在微扰的量子场论中,更多的是作为一种计算上的有效工具。狭义的虚粒子跟普通的实粒子的一个重要区别是虚粒子不能在实验上被真正地观察到。虚光子的交换产生了电磁相互作用中的排斥力和吸引力。对于排斥力,有一个在相关的教科书和科普书中经常被提及的不严谨的类比:想象冰面上两个原先静止的人,其中一个向另一个抛出一个球。

那么,由于动量守衡他自己就会向后退,第二个人接住球以后也会跟着球一起移动。于是在场外的观察者看来,两个人就“互相排斥开了”。而对于吸引力的产生,可以想象此时两个人不再是互相抛球,而是在争抢一个球,或者也可以想象两个人抛的不是直线飞行的球,而是回旋镖。在量子场论中,对于很多物理过程我们很难做解析计算,而只能借助于微扰论来逼近我们所需要的精确度。

其中,由美国物理学家费曼于1948年发明的费曼图是很常用而且很有用的计算工具。严格地说,每一个物理过程都会涉及到无限多个费曼图,其中每一个费曼图会为我们的计算贡献一个数字,随着所包含的顶点的数目的增加,费曼图对计算结果的贡献会越来越小,因此,我们只需要计算有限数目的费曼图便可达到所需要的精确度。在费曼图中,微扰论引入的虚粒子是由内线表示的。

也就是说,费曼图中代表虚粒子的线的起点和终点都在图内,而不像实粒子那样有来自或者伸向外部环境的自由端。既然虚粒子的线被限制在反应过程的内部,那么显然是不能被观察到的。

狭义上讲,包括虚光子在内的虚粒子与常见的实粒子之间是有本质区别的,比如虚粒子并不一定满足相对论中的联系粒子质量、能量以及动量的著名方程E2=p2c2+m2c4。这是由于在费曼图中的每一个顶点处都需要满足能量守恒和动量守恒,我们需要通过调整虚粒子的质量m去满足这些守恒律。因此,虚光子可以有不为零的静质量。由于海森堡不确定性原理,虚粒子的质量与其所对应的实粒子差别越大,则其存在的时间越短。

回到磁铁和胶片的问题。如果一个光子被胶片探测到,那么根据定义,这个光子便不可能是传递电磁力的虚光子,因为它没有对应着描述电磁相互作用过程的费曼图中的内线。当然,上面只是科普化的解释,严格的理解需要参考量子场论和粒子物理学的教科书以及相关论文。

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