Виртуальные фотоны — фундаментальная концепция физики элементарных частиц и квантовой теории поля , которая играет решающую роль в описании взаимодействий между электрически заряженными частицами. Виртуальные фотоны называются « виртуальными », потому что они не существуют как свободные частицы в традиционном смысле этого слова, а вместо этого служат промежуточными частицами в обмене силой между другими частицами. Они отвечают за электромагнитную силу , удерживающую материю вместе, что делает их ключевым компонентом в нашем понимании физического мира. [1] [2]
Виртуальные фотоны представляют собой колебания электромагнитного поля, характеризующиеся энергией, импульсом и поляризацией. Эти флуктуации позволяют электрически заряженным частицам взаимодействовать друг с другом путем обмена виртуальными фотонами. Электромагнитную силу между двумя заряженными частицами можно понимать как обмен виртуальными фотонами между ними. Эти фотоны постоянно создаются и уничтожаются, а обмен этими виртуальными фотонами создает электромагнитную силу, отвечающую за взаимодействие между заряженными частицами. [2]
Виртуальные фотоны можно разделить на положительные и отрицательные виртуальные фотоны. Эти классификации основаны на направлении их энергии и импульса, а также на их вкладе в электромагнитную силу. [2]
Если виртуальные фотоны, которыми обмениваются частицы, имеют положительную энергию, они вносят вклад в электромагнитную силу как сила отталкивания. Это означает, что две заряженные частицы отталкиваются друг от друга и электромагнитная сила раздвигает их. С другой стороны, если виртуальные фотоны имеют отрицательную энергию, они вносят вклад в электромагнитную силу как силу притяжения. Это означает, что две заряженные частицы притягиваются друг к другу, и электромагнитная сила притягивает их друг к другу. [2]
Важно отметить, что положительные и отрицательные виртуальные фотоны — это не отдельные частицы, а скорее способ классификации виртуальных фотонов, существующих в электромагнитном поле. Эти классификации основаны на направлении энергии и импульса виртуальных фотонов и их вкладе в электромагнитную силу. [2]
Виртуальные фотоны могут иметь ряд поляризаций , которые можно описать как ориентацию электрических и магнитных полей, составляющих фотон. Поляризация виртуального фотона определяется направлением его импульса и его взаимодействием с зарядами, которые его излучают или поглощают. Диапазон поляризаций виртуальных фотонов можно сравнить с диапазоном цветов видимого света, причем каждая поляризация соответствует определенной ориентации электрического и магнитного полей.
Говорят, что виртуальные фотоны находятся « вне оболочки », а это означает, что они не подчиняются обычному соотношению между энергией и импульсом, которое применимо к реальным частицам. Реальные фотоны всегда должны иметь энергию, равную скорости света, умноженной на их импульс, но виртуальные фотоны могут иметь любую энергию, соответствующую принципу неопределенности. Это позволяет виртуальным фотонам переносить широкий диапазон энергий, даже если они физически нереальны.
Виртуальные фотоны ответственны за лэмбовский сдвиг , который представляет собой небольшой сдвиг энергетических уровней атомов водорода, вызванный взаимодействием атома с виртуальными фотонами в вакууме.
Они также ответственны за эффект Казимира — явление, когда две незаряженные металлические пластины притягиваются друг к другу из-за присутствия виртуальных фотонов в вакууме между ними. Сила притяжения между пластинами вызвана разницей в плотности виртуальных фотонов по обе стороны пластин, что создает результирующую силу, стягивающую их вместе.