El intercambio de fotones da lugar a la fuerza electromagnética [duplicado]

Actualización: revisé esta respuesta y aclaré algunas partes. Lo más importante es que amplié la sección Fuerzas para conectarme mejor con la pregunta.

Me gusta tu razonamiento y realmente llegas a las conclusiones correctas, ¡así que felicidades por eso! Pero comprender la relación entre fuerzas y partículas no es tan simple y, en mi opinión, lo mejor que se puede hacer es brindar una descripción de abajo hacia arriba de cómo se llega a la noción de fuerza cuando se comienza con partículas. Así que aquí viene el firmware que querías. Espero que no lo encuentre demasiado prolijo.

Partículas fisicas

Entonces, comencemos con la física de partículas. Los bloques de construcción son las partículas y las interacciones entre ellas. Eso es todo al respecto. Imagine que tiene un montón de partículas de varios tipos (masivas, sin masa, escalares, vectoriales, cargadas, con carga de color, etc.) y al principio podría suponer que se permiten todo tipo de procesos entre estas partículas (por ejemplo, tres fotones que se encuentran en un punto y creando un gluón y un quark; o electrones separados que se encuentran en un punto y creando cuatro electrones, un fotón y tres gravitones). De hecho, la física podría verse así y sería un desastre incomprensible si lo hiciera.

Afortunadamente para nosotros, hay pocos principios organizativos que hacen que la física de partículas sea razonablemente simple (¡pero no demasiado simple, eso sí!). Estos principios se conocen como leyes de conservación. Después de haber realizado una gran cantidad de experimentos, nos convencimos de que la carga eléctrica se conserva (el número es el mismo antes y después del experimento). También hemos encontrado que la cantidad de movimiento se conserva. Y muchas otras cosas también. Esto significa que procesos como los que mencioné antes ya están descartados porque violan algunas de estas leyes. Solo los procesos que pueden sobrevivir a los (muy estrictos) requisitos de conservación deben considerarse posibles en una teoría que podría describir nuestro mundo.

Otro principio importante es que queremos que nuestras interacciones sean simples. Este no es de carácter experimental pero es apetecible y en cualquier caso es más fácil empezar con interacciones más sencillas y solo si eso no funciona intentar introducir otras más complejas. Nuevamente, afortunadamente para nosotros, resulta que las interacciones básicas son muy simples. En un punto de interacción dado, siempre hay un pequeño número de partículas. A saber:

• dos: partículas que cambian de dirección
• Tres:
  • partícula que absorbe otra partícula, por ejemplo$e^- + \gamma \to e^-$
  • o una partícula que se descompone en otras dos partículas$W^- \to e^- + \bar\nu_e$
• cuatro: estos no tienen una interpretación tan agradable como los anteriores; pero para dar un ejemplo, uno tiene, por ejemplo, dos gluones entrando y dos gluones saliendo

Entonces, un ejemplo de un proceso tan simple es el electrón absorbiendo un fotón. Esto no viola ninguna ley de conservación y en realidad resulta ser la piedra angular de una teoría del electromagnetismo. Además, el hecho de que haya una buena teoría para esta interacción está relacionado con el hecho de que la carga se conserva (y en general existe una relación entre la conservación de las cantidades y la forma en que construimos nuestras teorías), pero es mejor dejar esta conexión para otra pregunta.

De vuelta a las fuerzas

Entonces, te estás preguntando de qué se trataba toda esa larga y aburrida charla, ¿no es así? El punto principal es: nuestro mundo (tal como lo entendemos actualmente) está de hecho descrito por todas esas diferentes especies de partículas que están omnipresentes en todas partes e interactúan mediante las extrañas interacciones permitidas por las leyes de conservación.

Entonces, cuando uno quiere comprender la fuerza electromagnética en su totalidad, no hay otra manera (de hecho, hay una y la mencionaré al final, pero no quería complicar demasiado la imagen) que imaginar enormes número de fotones que vuelan alrededor, siendo absorbidos y emitidos por partículas cargadas todo el tiempo.

Ilustremos esto en su problema de la interacción de Coulomb entre dos electrones. La contribución completa a la fuerza entre los dos electrones consiste en toda la combinación posible de procesos elementales. Por ejemplo, el primer electrón emite un fotón, este luego vuela hacia el otro electrón y es absorbido, o el primer electrón emite un fotón, este cambia a un par electrón-positrón que rápidamente se recombina en otro fotón y luego vuela hacia el segundo electrón y es absorbido. Hay una gran cantidad de estos procesos a tener en cuenta, pero en realidad los más simples son los que más contribuyen.

Pero mientras estamos en la fuerza de Coulomb, me gustaría mencionar una notable diferencia con el caso clásico. Allí, la teoría te dice que tienes un campo EM también cuando hay un electrón presente. Pero en la teoría cuántica esto no tendría sentido. El electrón necesitaría emitir fotones (porque esto es lo que corresponde al campo) pero no tendrían adónde volar. Además, el electrón estaría perdiendo energía y por lo tanto no sería estable. Y hay varias otras razones, mientras que esto no es posible.

¡Lo que quiero decir es que un solo electrón no produce ningún campo EM hasta que se encuentra con otra partícula cargada! En realidad, esto debería tener sentido si lo piensas por un tiempo. ¿Cómo detectas que hay un electrón si nada más está presente? La respuesta simple es: no tienes suerte, no lo detectarás. Siempre necesitas algunas partículas de prueba. Entonces, la imagen clásica de un campo EM electrostático de una partícula puntual describe solo lo que sucedería si se insertara otra partícula en ese campo.

La charla anterior es parte del paquete más grande de problemas con la medición (y de hecho incluso de la definición misma de) la masa, la carga y otras propiedades del sistema en la teoría cuántica de campos. Estos problemas se resuelven mediante la renormalización, pero dejemos eso para otro día.

Campos cuánticos

Bueno, resulta que toda la charla anterior sobre partículas (aunque visualmente atractiva y técnicamente muy útil) es solo una aproximación a la imagen más precisa de que existe solo un campo cuántico para cada tipo de partícula y la gran cantidad de partículas en todas partes correspondientes solo a agudos picos locales de ese campo. Luego, estos campos interactúan por medio de interacciones bastante complejas que se reducen a las partículas habituales cuando se observa lo que hacen esos picos cuando se acercan.

Esta vista de campo puede ser bastante esclarecedora para ciertos temas y bastante inútil para otros. Un lugar donde realmente es esclarecedor es cuando uno está tratando de comprender la aparición espontánea de los llamados pares virtuales de partículas y antipartículas. No está claro de dónde aparecen como partículas. Pero desde el punto de vista del campo, son solo excitaciones locales. Uno debería imaginar el campo cuántico como una hoja que se mueve todo el tiempo (por medio del movimiento cuántico inherente) y que de vez en cuando se mueve lo suficiente como para crear un pico que corresponde al par mencionado.

Que yo sepa, una vez que se colocan las partículas cargadas, la fuerza electromagnética siempre está ahí, sin interrupción. De acuerdo con tal lógica, tiene que haber una corriente de fotones infinitos para construir la fuerza EM, y no tiene que haber intervalo entre un "evento de intercambio" y otro.

No. Cualquier evento de intercambio requiere una cantidad finita de tiempo y energía. Entonces, no, los electrones no experimentan una fuerza "continua". En el nivel cuántico, no esperaría que los procesos fueran continuos en general. También está fusionando dos imágenes diferentes de interacción. En un marco clásico, sí, la fuerza em está "siempre ahí". Esto no es cierto en una descripción cuántica. Modelo de tablero de ajedrez de Google para obtener información sobre una imagen tan discreta de la dinámica de las partículas elementales.

Imagine a dos personas sentadas en automóviles sobre una superficie sin fricción arrojándose bolas de nieve. Cada vez que la persona A lanza una pelota con impulso$\vec{k}$él/ella cobra impulso$-\vec{k}$. Cuando la persona B atrape dicha bola de nieve, suponiendo que la captura sea perfectamente elástica, ganará impulso.$\vec{k}$. Al final de este proceso, A ha ganado$-\vec{k}$impulso y B ha ganado$\vec{k}$. Se conserva la cantidad de movimiento total del sistema. Para un observador externo, parece como si A y B se hubieran "repelido" entre sí. Cómo extender esta analogía para inducir "atracción" entre objetos no está claro para mí en este momento, pero permítanme suponer por el momento que se puede hacer.

Ahora, para los campos electromagnético y gravitacional, las "bolas de nieve" en cuestión, el fotón y el gravitón, tienen una masa cero (o muy pequeña). A A y B no les cuesta mucho esfuerzo lanzar estas bolas de nieve sin masa que conducen a la naturaleza de largo alcance de estas fuerzas.

Corríjame si me equivoco: las excitaciones de fotones y piones provienen de la nada. Entonces debería haber fuerza EM y fuerza fuerte en todas partes, sin importar qué tipo de partículas haya. Digamos que incluso las partículas eléctricamente neutras y sin dipolos pueden generar una fuerza electromagnética en el medio.

Equivocado. Los fotones y los gravitones no surgen de la "nada". Para usar una frase cliché, "nada" proviene de "nada". Son, como mencionó @marek, prestados del estado fundamental o vacío del campo en cuestión. Y sí, las "partículas eléctricamente neutras y sin dipolos" pueden desarrollar interacciones atractivas simplemente debido a las fluctuaciones cuánticas. Este es el origen de la fuerza de Van der Waals.

Para los núcleos [sic.] el escenario se vuelve aún más extraño. La fuerte interacción entre protones es causada por el intercambio de piones masivos. Suena como si los protones arrojaran una corriente de bolas entre sí para crear una fuerza de atracción, y las bolas deberían salir de la nada.

Precisamente porque las "bolas de nieve" (piones) son masivas, la fuerza fuerte es de corto alcance y está confinada a una región finita del espacio, es decir, ¡el núcleo! Una vez más, los piones no surgen de la nada. Los protones, neutrones, piones y todas las demás excitaciones surgen del mismo vacío y deberían denominarse "cuasipartículas" en lugar de partículas elementales. En cuanto a cuál es la naturaleza de este vacío, todavía estamos tratando de resolverlo;)

La pregunta original parecía muy confusa en mi opinión. Escribí un comentario a la pregunta original (ver arriba) que parafraseé ligeramente de la siguiente manera:

OK, así que hemos agudizado su pregunta. Quiere saber 1. Qué son las partículas virtuales y 2. ¿Cómo, en principio, su intercambio da lugar a fuerzas reales, por ejemplo, a) cómo el intercambio de los bosones de medida virtuales de EM (fotones virtuales) da lugar a la fuerza EM , b) ¿cómo el intercambio de bosones de calibre virtuales de la interacción fuerte (gluones virtuales) da lugar a la fuerza fuerte, y c) similar para W y Z0 y la interacción débil? No desea los detalles, sino el principio básico de cómo el intercambio de partículas virtuales puede producir una fuerza real.

Entonces, en respuesta a la pregunta n. ° 1, ¿qué son las partículas virtuales? - Le sugerí que comenzara en http://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_particle

En respuesta a las preguntas #2. ¿Cómo, en principio, el intercambio de bosones de calibre virtuales da lugar a fuerzas reales? Para esto, consulte Ver http://en.wikipedia.org/wiki/Force_carrier

En respuesta a las preguntas #2b y 2c, es decir, dé alguna indicación a nivel de pregrado sobre cómo este mismo tipo de diagramas de Feynman también podrían aplicarse a las interacciones fuertes y débiles, consulte http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase /partículas/expar.html

Para un libro de referencia popular, consistente con el nivel aparente de conocimiento del cartel original, di esta referencia gratuita a The Particle Century de Gordon Fraser por si acaso. En mi humilde opinión, el póster original se verá mejor atendido por una lista de buenos libros semipopulares sobre estos temas. Los comentarios adicionales constructivos a mi intento de respuesta podrían servir mejor con una lista de tales libros que los comentaristas consideraron muy bien, para a) estudiantes universitarios generales b) estudiantes universitarios de física y c) posiblemente incluso sus estudiantes.