El fotón como portador de la fuerza electromagnética.

Tienes que darte cuenta de que cuando hablamos de fotones, hablamos de partículas elementales y sus interacciones están dominadas por la mecánica cuántica, no por la mecánica clásica, y además es necesaria la relatividad especial para calcular cualquier cosa sobre ellas.

En general, conocemos las partículas elementales porque observamos sus huellas en detectores durante casi cien años. Nunca vemos un electrón o un protón en la forma en que vemos una partícula de polvo.

Este es el detector más visual, una foto de cámara de burbujas de eventos electromagnéticos .

Aquí vemos algunos eventos electromagnéticos como la creación de pares o la materialización de fotones de alta energía en un par electrón-positrón (pistas verdes), el efecto Compton (pistas rojas), la emisión de radiación electromagnética por cargas aceleradas (pistas violetas) (bremsstrahlung) y los electrones en cadena o rayo delta (pistas azules)

Ahora veamos tus preguntas:

1) ¿Cómo llegamos a "los electrones intercambian fotones virtuales y esa es la causa de la fuerza electromagnética entre ellos" simplemente observando electrones absorbiendo o emitiendo fotones?

Esa no es la forma en que llegamos a esta conclusión. A lo largo de los años se ha estudiado un gran número de dispersiones controladas, que es lo que muestra esta imagen, de electrones sobre la materia y el marco teórico para calcular la probabilidad de la dispersión y las distribuciones angulares se ha desarrollado muy bien durante años. Esto implica matemáticas que no se pueden manipular manualmente. Para empezar, la sección transversal de la dispersión de un electrón sobre un electrón se puede escribir en una serie de integrales contorneadas que se pueden representar gráficamente mediante diagramas de Feynman. En esos diagramas de Feynman, los propagadores de la interacción entre las partículas entrantes y salientes pueden pensarse como fotones virtuales porque llevan los números cuánticos del fotón pero están fuera de la capa de masa.

Cualquier cosa entre los vértices de entrada y los vértices de salida es virtual, y su realidad depende de la correcta representación de los números cuánticos de la partícula intercambiada, en este caso los números cuánticos de fotones.

2) Si los electrones se lanzan fotones entre sí, ¿no significa eso que solo deben dispersarse (repeler)? Si es así, ¿por qué se atraen los imanes?

Los fotones virtuales no son como bolas, están fuera de la capa de masa, son una construcción matemática útil. Sin embargo, hay un análogo interesante en el que dos barcos que se lanzan bolas representan las fuerzas de repulsión y los boomerangs las de atracción.

¿Estos dos fenómenos ocurren aquí en la tierra de forma natural (sin LHC u otros aceleradores de partículas), en la atmósfera superior, o solo en el espacio profundo y oscuro?

Existen rayos cósmicos de todas las energías, el acelerador cósmico, y las partículas elementales se vieron por primera vez en emulsiones expuestas a los rayos cósmicos en altitudes elevadas, por ejemplo, así se descubrió el pión . Por lo tanto, cualquier proceso visto en los aceleradores se puede encontrar si se busca lo suficiente en los rayos cósmicos. Los aceleradores permiten mediciones detalladas y exactas de secciones transversales y relaciones de ramificación, etc. debido a las altas estadísticas posibles.

2) Si los electrones se lanzan fotones entre sí, ¿no significa eso que solo deben dispersarse (repeler)? Si es así, ¿por qué se atraen los imanes?

Parte de la respuesta parece ser que la ubicación del fotón en el campo magnético determina si parecerá atraer o rechazar un objeto en esa ubicación. Que yo sepa, el fotón siempre tendrá un efecto repulsivo en una interacción con otra partícula.