既然电磁力是由光子传递,那为什么磁铁吸引不会发光?

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据我们所知,所有力的相互作用可以归结为四个基本力:电磁力、重力、强核力和弱核力。例如,磁铁之间相互吸引的磁力和接触力(包括摩擦力、弹性力)本质上是电磁力。

理论上,每一个基本力都是由一个基本粒子传递的(传递重力的引力还没有被发现)。以电磁力为例,它的传输依赖于光子。既然电磁相互作用交换光子,为什么我们看不到两个互相吸引的磁铁或物体被推时发出的光呢?

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根据量子场论,携带电磁力的光子不是普通光子,而是虚拟光子。我们看不到如此短时间内存在的虚拟粒子。那么,虚光子是如何传递电磁力的呢?

虚光子是“借”能量和动量产生的光子,是不确定性原理的结果。根据et≤h/4π,虚光子的借能越多,存在的时间越短。这意味着在带电粒子附近会产生高能光子,在短距离内就会消失。虚光子能量越低,存在的时间越长,传播距离越远。可见,虚光子可以在短时间内违反能量和动量守恒定律。

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当一个带电粒子产生一个虚光子时,它们很快被附近的另一个带电粒子吸收。在这个过程中,另一个带电粒子“偿还”第一个带电粒子的“借”能和动量,结果能量和动量被转移,从而产生电磁力。从虚光子的产生到消失,时间非常短,整个过程的能量和动量都是守恒的。

电磁力的传递必须依靠虚光子而不是真光子,否则将破坏整个过程的能量和动量守恒定律。例如,如果最初静止的电子发射光子,则结果是电子和光子沿相反方向移动,该组合物必须具有比最初静止时的电子更多的能量。

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不确定性原则避免了这种矛盾。根据不确定性原理,光子可以具有能量ΔE并且存在Δt~/ΔE。只要光子被足够快地重新吸收,就不会违反能量守恒定律和动量守恒定律。由于光子必须被重新吸收并且无法被检测到,因此它们被称为虚光子。

根据量子电动力学,带电粒子可以发射和吸收虚光子。因为它们是虚光子,如果你试图阻挡它们,两个带电粒子之间的相互作用就不会发生,所以我们永远无法真正检测到这些光子。虽然不能直接观察到这些虚光子,但它们对可观察事件的概率有可测量的贡献。

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一个非常着名的虚拟粒子存在的例子是卡西米尔效应。量子场理论预测随机能量波动发生在真空中,产生一对正负虚拟粒子。如果两个不带电的平行金属板放置在真空中,则金属板之间的虚拟颗粒的密度减小,从而在两个金属板之间产生除重力之外的吸力,这已经通过实验证实。

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据我们所知,所有力量的相互作用可归结为电磁力,重力,强核力和弱核力四种基本力。例如,在磁体之间彼此吸引的磁力和接触力(包括摩擦力,弹力)基本上是电磁力。

理论上,每个基本力都是由一个基本粒子传播的(传递重力的引力尚未被发现)。以电磁力为例,其传输取决于光子。由于电磁相互作用会交换光子,为什么我们不能看到两个相互吸引的磁铁或物体被推动时发出的光?

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根据量子场论,携带电磁力的光子不是普通光子,而是虚光子。我们看不到这种存在很短时间的虚拟粒子。那么,虚拟光子如何传输电磁力?

虚光子是由“借来的”能量和动量产生的光子,这是不确定性原理的结果。根据Et≤h/4π,虚光子借用的能量越多,存在的能量就越短。这意味着在带电粒子附近会产生高能光子,这些光子会在短距离后消失。虚光子的能量越低,存在的时间越长,传播距离越远。可以看出,虚光子可以在短时间内违反能量守恒定律和动量守恒定律。

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当带电粒子产生虚光子时,它们很快被附近的另一个带电粒子吸收。在这个过程中,另一个带电粒子“回复”第一个带电粒子的“借来的”能量和动量,结果是能量和动量被转移,从而产生电磁力。从虚光子的产生到消失,时间非常短,整个过程的能量和动量得以保存。

电磁力的传递必须依靠虚光子而不是真光子,否则将破坏整个过程的能量和动量守恒定律。例如,如果最初静止的电子发射光子,则结果是电子和光子沿相反方向移动,该组合物必须具有比最初静止时的电子更多的能量。

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不确定性原则避免了这种矛盾。根据不确定性原理,光子可以具有能量ΔE并且存在Δt~/ΔE。只要光子被足够快地重新吸收,就不会违反能量守恒定律和动量守恒定律。由于光子必须被重新吸收并且无法被检测到,因此它们被称为虚光子。

根据量子电动力学,带电粒子可以发射和吸收虚光子。因为它们是虚光子,如果你试图阻挡它们,两个带电粒子之间的相互作用就不会发生,所以我们永远无法真正检测到这些光子。虽然不能直接观察到这些虚光子,但它们对可观察事件的概率有可测量的贡献。

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一个非常着名的虚拟粒子存在的例子是卡西米尔效应。量子场理论预测随机能量波动发生在真空中,产生一对正负虚拟粒子。如果两个不带电的平行金属板放置在真空中,则金属板之间的虚拟颗粒的密度减小,从而在两个金属板之间产生除重力之外的吸力,这已经通过实验证实。