Astronomia

O que acontece com os fótons que não interagem com algo?

O que acontece com os fótons que não interagem com algo?

Digamos que um fóton deixou uma das primeiras estrelas já criadas em nosso universo. Este fóton viajou por mais de 13 bilhões de anos através da vastidão do espaço sem nunca atingir nada. Claro, ele provavelmente foi puxado por interações gravitacionais, mas ainda está felizmente viajando à velocidade da luz sem interação direta com a matéria.

Como sabemos, a maior parte do universo é composta principalmente de espaço vazio. As chances de um único fóton atingir algo (como a Terra como uma estrela, etc.) parecem ser muito pequenas.

O que acontecerá eventualmente com este fóton? Será que ela eventualmente alcançará a outra extremidade do universo e, se assim for, o que acontecerá com ela lá?


Sua afirmação "a maior parte do universo é composta principalmente de espaço vazio" é muito vaga. Na realidade, o Universo está embutido em campos difusos de fótons de fundo, de baixa energia (como a chamada radiação cósmica de fundo, que é uma relíquia do big bang) a muito alta energia (de objetos compactos extremos, como AGNs). Claro, também existe matéria escura desconhecida. Parece que a matéria escura provavelmente só participa de uma interação fraca. Portanto, provavelmente não interagirá com os fótons (o mesmo argumento com os neutrinos cósmicos de fundo). A chance de interação fóton-fóton e interação fóton-campo eletromagnético depende da energia dos fótons. Para altas energias, não é baixo como você esperava. Mesmo que um fóton tenha sorte e não interaja com as outras partículas, ele não alcançará a borda do Universo. A razão é que o Universo está se expandindo.


Um fóton como esse simplesmente viajará para sempre, já que o que ele encontra ao seu redor (outros fótons e matéria não bariônica) é difícil de interagir. Mas como o Universo está se expandindo, a frequência dos fótons está diminuindo.

Observe o fundo cósmico de micro-ondas que observamos hoje: esses fótons de rádio viajaram por toda a Era do Universo até atingirem a Terra, mas já foram raios gama e hoje são micro-ondas.


Até o vácuo fervilha de pares de partículas virtuais, então os fótons sempre interagir com algo. Verifique a Wikipedia sobre o efeito Scharnhorst para obter uma explicação:

Devido ao princípio da incerteza de Heisenberg, um espaço vazio que parece ser um verdadeiro vácuo é, na verdade, preenchido com partículas subatômicas virtuais. Essas são chamadas de flutuações de vácuo. Conforme um fóton viaja através do vácuo, ele interage com essas partículas virtuais e é absorvido por elas para dar origem a um par virtual de elétron-pósitron. Este par é instável e se aniquila rapidamente para produzir um fóton como o que foi anteriormente absorvido. O tempo que a energia do fóton passa como pares de elétron-pósitron subluminais diminui a velocidade observada da luz no vácuo.


De acordo com a teoria do absorvedor de Wheeler, o fóton é um conceito derivado. Fóton é a ação entre duas cargas. A ação é chamada de "ação à distância", ou seja, aaad. Conseqüentemente, o fóton deve começar a partir de um emissor terminado em um absorvedor. Mesmo o fóton é apenas emitido por um emissor, ele conhece seu absorvedor final, que talvez seja o olho de um homem que o perfurará centenas de anos depois.


Ótima pergunta. O campo elétrico cria uma força tão forte que seria muito difícil mover grandes quantidades de apenas um tipo de carga. Portanto, os sistemas astrofísicos geralmente ejetam números iguais de prótons e elétrons. Em particular, o vento solar é eletricamente neutro. Portanto, esses raios cósmicos são criados em números quase iguais, mas quando chegam à Terra, há muito menos elétrons.

A principal interação que faz com que esses elétrons se "percam" é o espalhamento Compton inverso. O que acontece é que os elétrons que viajam entre as galáxias interagem com a radiação cósmica de fundo e perdem a maior parte de sua energia - basicamente, eles refletem nos fótons. É aqui que a maioria dos elétrons dos raios cósmicos é perdida, o que significa que todos os elétrons dos raios cósmicos da Terra virão de dentro de nossa galáxia. Claro, o espalhamento acontece para prótons e íons mais pesados ​​também, mas é muito mais fraco para eles. (A taxa de perda de energia é inversamente proporcional à massa, e prótons e outros íons são distante mais pesado do que os elétrons.)

Quanto aos encargos líquidos, ainda há muitas questões em aberto. Mas basicamente, se acumularmos muita carga, logo atrairemos muito do tipo oposto de carga e nos tornaremos neutros novamente. Portanto, não achamos que a Terra tenha muita carga líquida, embora eu não saiba de nenhum limite preciso.


Você está pedindo ao leitor que aceite uma imagem ruim que nunca faria sentido.

Em seu experimento mental, os dois fótons se convertem em várias variedades de virtual pares de férmions que então se recombinam para formar um Higgs. (Na verdade, no laboratório, LHC / CERN, o processo de reversão do tempo acontece, o Higgs decai para dois fótons, em vez disso, muito raramente.)

Esta é uma linguagem técnica que lembra os usuários do QFT como calcular a frequência / probabilidade desse evento: não há "início" da interação. A interação é uma característica da partícula de Higgs e dos fótons e está na lista de respostas, "desde o início": o Higgs simplesmente se divide em dois fótons em um instante. A intermediação desse acoplamento através de um par férmion-antifermion é um memorando simbólico para os calculadores sobre como estimar o acoplamento a partir do SM Lagrangiano, o ponto de partida de suas estimativas. Você parece estar estendendo uma metáfora comum para um cálculo a algo além de uma fantasia útil.


Respostas e Respostas

Em geral, quando um fóton interage com a matéria, qualquer um dos processos que você nomeia pode ocorrer, desde que não viole nenhuma lei de conservação. Por exemplo, a produção de pares pode ocorrer apenas se o fóton tiver pelo menos energia suficiente para criar as massas do elétron e do pósitron, ou seja, 1,022 MeV.

Caso contrário, um fóton com uma determinada energia, interagindo com um determinado tipo de material, pode interagir por meio do efeito fotoelétrico com uma certa probabilidade, por meio do efeito Compton com alguma outra probabilidade, etc. Essas probabilidades são geralmente expressas por meio de uma quantidade chamada de & quotinteração seção transversal & quot para cada processo. Eles podem ser calculados usando eletrodinâmica quântica.

5. interação fóton / fóton. na faixa de luz visível, responsável pela cor & amp & quotwhiteness & quot.

O que. Forneça detalhes. O que você entende por & quotinteração fóton-fóton & quot?

De acordo com a teoria da & quotcor aditiva & quot nos & quotthe livros & quot, eles são:

vermelho + verde + azul = branco
magenta + amarelo + ciano = branco
vermelho + ciano = branco
azul + amarelo = branco
magenta + verde = desconhecido
vermelho + verde = amarelo
azul + verde = ciano
etc etc.

E que teoria é essa. Definitivamente, não é o que explica as combinações de cores na pintura (vermelho + verde nunca é amarelo). E qual é a conexão com as & quotinterações fóton-fóton & quot, se houver?

De acordo com a teoria da & quotcor aditiva & quot nos & quotthe livros & quot, eles são:

vermelho + verde + azul = branco
magenta + amarelo + ciano = branco
vermelho + ciano = branco
azul + amarelo = branco
magenta + verde = desconhecido
vermelho + verde = amarelo
azul + verde = ciano
etc etc.

Não há nada que possa ser chamado de interação fóton-fóton aqui.

Estas são as regras aditivas para combinações de cores. Essas percepções
ocorrem apenas nos neurônios do nosso cérebro, combinando as entradas do
sensores vermelho, verde e azul.

BTW, magenta + verde = branco e não & quotdesconhecido & quot

A pintura é subtrativa (branco - vermelho - verde = azul)
não aditivo (vermelho + verde = amarelo).

Como Hans apontou, a teoria aditiva a que me referi é para a luz (fótons). Por que eu mencionaria tinta (subtrativa)?

Estou ciente dos aspectos fisiológicos da luz e da cor, mas não falo sobre eles.
No entanto, os aspectos da interação de frequência que regulam a estimulação dos cones existem porque o olho evoluiu fazendo uso de frequências EM conhecidas como "luz visível". Esses aspectos são inerentes a todas as frequências. Se a interação fóton / fóton fosse impossível, como você produziria a ressonância coerente conhecida como L.A.S.E.R.? Quando eu disse & quotthe livros didáticos & quot, estou me referindo à Física, não à Biologia.

Meu outro motivo para aditivo nas citações é porque ele é falho. Um dos maiores é magenta + verde. Magenta é uma cor para a qual nenhuma frequência pode ser atribuída. Ele não existe no gráfico de espectro E-M usado atualmente e, portanto, não pode ser adicionado a nada.

Newton postulou que a & quotluz ​​branca contém todas as cores & quot. Isso não foi rejeitado pela ciência moderna, e a roda de cores para a mistura de luz usa magenta porque a teoria subtrativa o usa perfeitamente (TV em cores, impressoras etc.) e deve ser logicamente inversa à teoria aditiva. Mas, novamente, não há evidência de uma frequência de luz que possa ser descrita como magenta em qualquer texto científico.

Diante de evidências tão contundentes ..

prova 1. & quotTalvez isto deva ser movido para o & quotart-forum & quot.
prova 2 & quotRealmente, isso é um monte de BS. & quot

Um laser é possível devido à ressonância fóton / fóton. Uma interação capaz de ressonância, também deve ser capaz de dissonância. É por isso que algumas cores refletem certas cores e absorvem outras.

Se você deseja eliminar as evidências baseadas nos neurônios & quotpercepção & quot, então você também deve eliminar todos os símbolos, números e palavras, pois eles são apenas combinações de luz e escuridão que acionam os cones no olho, e então & quot percebido & quot pelo cérebro para significar alguma coisa. Em outras palavras, é um argumento vazio, por favor, tente novamente me convencer de que esta não é uma interação que ocorre fora do cérebro.

O espalhamento fóton-fóton ocorre (ou mais precisamente, deveria de acordo com o QED) por meio de pares virtuais intermediários de elétron-pósitron, então as interações fóton-fóton realmente existem. No entanto, o que isso tem a ver com lasers? E o que isso tem a ver com cores?

Por & quotcores & quot, refiro-me apenas a uma frequência específica. Não vejo por que isso incomoda algumas pessoas. Se a ciência tivesse uma definição precisa de cada cor (por frequência), isso não seria tão difícil. Eu poderia então dizer, por exemplo, uma onda de 730 nm, e todos saberiam que eu estava me referindo a um fóton "cotado" padrão do NIST.

Minha primeira postagem foi simplesmente que também havia interações fóton / fóton. Foi depois de ser questionado que me dei conta do que considero uma física "quotelementária".

Os lasers são monocromáticos, o que por definição significa & quot1 cor & quot. Eles começaram com um laser vermelho, então foram capazes de produzir o verde mais refinado (dados expandidos - cd's). Azul é o próximo.
Isso é motivo suficiente para mencionar & quotlaser & quot e & quotcolor & quot na mesma postagem? Um laser não é um fóton, mas um feixe de muitos fótons coerentes (ressonantes) "em interação".

Outro exemplo? Uma citação da Enciclopédia Britânica:

& quotAlém da espectroscopia de saturação, existem várias outras técnicas que são capazes de obter espectros livres de Doppler. Um exemplo importante é a espectroscopia de dois fótons, outra forma de espectroscopia que foi possibilitada pelas altas intensidades disponíveis com lasers. Todas essas técnicas contam com o deslocamento Doppler relativo de feixes de contrapropagação para identificar a frequência de ressonância correta e têm sido usadas para medir espectros com precisão extremamente alta. Essas técnicas, entretanto, não podem eliminar outro tipo de desvio Doppler. & quot

Obrigado por não ter recebido & quotpessoal & quot, afinal este é um Fórum. Estou aqui para expandir, não para contrair!


Acompanhamento nº 3: como funciona uma onda piloto?

Aha, vejo o que você está se perguntando - se algum mecanismo pode ser dado para a força da onda piloto na coordenada da partícula na imagem de Bohm. talvez algum tipo de pequenas colisões com flutuações de partículas locais, etc. É uma boa ideia, mas acho que se algo sair de uma tentativa como essa, será ainda mais estranho do que a visualização em que a função de onda é o único ingrediente . A razão é que todos esses processos podem violar as Desigualdades de Bell. Isso significa que não há nenhuma imagem local (exceto conspirações universais) que possa reproduzir as observações. Portanto, há pouca motivação para buscar mais uma imagem local.

A foto emitida em uma imagem de Hawking é um fóton real e, como Pinóquio, pode fazer todas as coisas que um fóton real pode fazer.


Existe alguma evidência experimental de que os fótons não têm massa?

Quando falamos sobre evidências experimentais, sempre há limitações e imprecisões para todas as medições, o que, em última análise, vem do fato de que nada pode ser medido com infinita precisão.

No caso da massa de um fóton, não é realmente possível medi-lo como exatamente zero. Afinal, como você mede algo que não existe?

Por causa disso, esses experimentos devem ser feitos indiretamente por meio de medições de, por exemplo, forças elétricas.

É claro que isso introduz alguma imprecisão nos resultados, o que significa que a massa de um fóton não pode ser medida exatamente como zero. O melhor que podemos fazer é colocar limites superiores na massa de um fóton, que foi feito com um alto grau de precisão.

Agora, é importante notar que estes limites superiores geralmente são números muito pequenos, extremamente próximos de zero. Isso, é claro, indica que a massa de um fóton também é extremamente pequena (provavelmente poderia ser provado ser exatamente zero, se fosse possível medi-la com precisão suficiente).

A maneira mais simples de medir a massa de um fóton é medir campos elétricos produzidos por partículas carregadas. Acontece que, se o fóton tivesse massa, isso resultaria em diferentes equações para a lei de força de Coulomb e o campo elétrico.

Ou seja, a equação para um campo elétrico produzido por uma carga Q teria alguns termos extras nela: Observe que se a massa de um fóton é zero, isso se reduz de volta à equação de campo elétrico comum e correta, que indica que um fóton não deve ter massa.

Esses campos elétricos podem ser observados e medindo esses chamados "fatores de amortecimento" produzidos pela massa do fóton, é possível deduzir um limite superior para a massa de um fóton.

Esses experimentos forneceram um limite superior variando de 10 -42 a 8 × 10 -51 kg para a massa do fóton, dependendo do tipo de experimento feito (de acordo com uma publicação da Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia).

Existem até métodos para medir a massa de um fóton que envolvem medições de campos magnéticos planetários.

Um desses experimentos, usando dados da espaçonave Pioneer 10 voando por Júpiter, mediu um limite superior de 7 × 10 -52 kg na massa do fóton (fonte: uma revisão do Instituto C.N. Yang de Física Teórica e do Laboratório Nacional de Los Alamos).

Um resultado ainda melhor foi obtido a partir de experimentos envolvendo medições de ventos solares (um vento solar é basicamente plasma vindo do sol, que carrega consigo um campo magnético).

Acontece que se o fóton tivesse massa, esse plasma se comportaria de maneira diferente, ou seja, haveria corrente produzida e o plasma seria acelerado.

Agora, observando o plasma do vento solar e a aceleração máxima possível que ele poderia ter (que é muito pequena ou zero), é possível calcular um limite superior de 2 × 10 -54 kg para a massa de um fóton (de acordo com a mesma fonte que para o outro valor acima).

Sou o fundador do Profound Physics, um site que criei para ajudar especialmente aqueles que estão tentando estudar física por conta própria, pois é isso que eu mesma sou apaixonada por fazer. Gosto de explicar o que aprendi de uma forma compreensível e descontraída e continuarei fazendo isso à medida que aprendo mais sobre as maravilhas da física.

Postagens recentes

Quando comecei a aprender física, o momentum e a energia cinética pareciam quase a mesma coisa para mim. Não entendi por que era útil ter duas quantidades muito semelhantes.

As equações de campo de Einstein são um conjunto de equações diferenciais parciais não lineares de segunda ordem, frequentemente descritas como extremamente complicadas e, na maioria dos casos, muito difíceis de resolver. Isso é.


Trazendo a luz

Como não sabemos do que é feita a matéria escura, somos livres para inventar todos os tipos de cenários, tanto mundanos quanto fantasiosos. A imagem mais simples da matéria escura diz que ela é grande e básica. Sim, ele constitui a grande maioria da massa do universo, mas consiste em apenas uma única partícula altamente prolífica que nada mais faz do que ter massa. Isso significa que o material pode se dar a conhecer por meio da gravidade, mas de outra forma nunca interage por meio de nenhuma das outras forças. Jamais teremos um vislumbre de matéria escura fazendo qualquer outra coisa.

Os cenários fantasiosos são mais divertidos.

Quando os teóricos ficam entediados, eles elaboram ideias sobre o que poderia ser a matéria escura e, mais importante, como poderíamos detectá-la. O próximo nível na escala de teorias interessantes da matéria escura diz que a substância pode ocasionalmente falar com a matéria normal via a força nuclear fraca. Essa ideia motiva experimentos de matéria escura e detectores em todo o mundo hoje.

Mesmo assim, esse cenário assume que ainda existem apenas quatro forças da natureza. Se a matéria escura é um tipo de partícula previamente invisível, então é perfeitamente razoável sugerir (porque não temos ideia se estamos certos ou não) que ela vem embalada com uma força da natureza até então desconhecida & mdash ou talvez um casal, quem sabe? Esta força potencial pode deixar a matéria escura falar apenas com a matéria escura, ou pode entrelaçar matéria escura e energia escura (que também não entendemos), ou pode abrir um novo canal de comunicação entre os setores normais e escuros de nosso universo .


Como os gases do efeito estufa prendem o calor na atmosfera?

O que CO2, metano e vapor de água têm em comum? Se seu primeiro pensamento foi “gases de efeito estufa”, você está correto! Os gases do efeito estufa prendem o calor na atmosfera, em um processo chamado de "efeito estufa". 1 Mas como essas moléculas realmente aquecem nosso planeta?

Começaremos nossa exploração de gases de efeito estufa com um único dióxido de carbono (CO2) molécula. Digamos que este CO2 molécula veio do escapamento em seu carro. Do tubo de escape, ele sobe para a atmosfera, difundindo-se entre os outros gases. Lá, partículas de luz - fótons - atingem nossa molécula.

Então, o que acontece com esses fótons? “As moléculas do gás de efeito estufa irão absorver essa luz, fazendo com que as ligações entre os átomos vibrem”, diz Jesse Kroll, professor de Engenharia Civil e Ambiental e Engenharia Química do MIT. “Isso aprisiona a energia, que de outra forma voltaria para o espaço e, portanto, tem o efeito de aquecer a atmosfera.” Basicamente, as ligações entre os átomos de carbono e oxigênio em nosso CO2 molécula dobrar e esticar para absorver fótons. (Com outros gases de efeito estufa, as ligações moleculares são diferentes, mas em todos os casos, eles absorvem fótons, impedindo-os de deixar a atmosfera.)

Eventualmente, nosso CO2 molécula irá liberar esses fótons. Às vezes, os fótons continuam no espaço. Mas outras vezes, eles voltam para a atmosfera da Terra, onde seu calor permanece preso.

E o mais importante, os gases de efeito estufa não absorvem todos os fótons que cruzam seu caminho. Em vez disso, eles captam principalmente fótons que saem da Terra em busca do espaço. “CO2 as moléculas absorvem luz infravermelha em alguns comprimentos de onda, mas a absorção mais importante é a luz de cerca de 15 mícrons ”, diz Kroll. A luz que chega do sol tende a ter comprimentos de onda muito mais curtos do que isso, então CO2 não impede que a luz do sol aqueça a Terra em primeiro lugar. Mas quando a Terra reemite essa luz, 2 ela tem um comprimento de onda maior, no espectro infravermelho.

E a faixa de comprimentos de onda em torno de 15 mícrons é uma janela particularmente importante. O gás de efeito estufa mais comum, o vapor de água, não absorve fótons com eficiência nesta faixa. Então, quando CO2 agarra fótons com comprimentos de onda em torno de 15 mícrons, é selecionar a mesma luz que normalmente tem o tempo mais fácil para escapar da atmosfera da Terra.

Há outra razão pela qual o CO2 é um gás de efeito estufa tão importante: ele tem uma longa vida útil na atmosfera. Isso tem a ver com a maneira como o CO2 reage (ou melhor, não reage) com a atmosfera. “A atmosfera é um ambiente muito oxidativo devido à presença de oxigênio e radiação ultravioleta”, diz Kroll. A oxidação ocorre quando o oxigênio rouba elétrons de outro átomo - é a mesma reação química que causa a ferrugem do ferro. O metano, outro gás de efeito estufa, reage facilmente com o oxigênio, que o remove da atmosfera em cerca de 12 anos. Isso é longo o suficiente para afetar o clima, mas longe da vida útil do CO2, que não reage com o oxigênio e pode durar mais de um século.

CO2A longa vida útil é a principal razão pela qual as atividades humanas estão levando à mudança climática. À medida que continuamos retirando do solo compostos à base de carbono, como carvão e óleo, e colocando esse carbono na atmosfera na forma de CO2, o CO adicionado2 se acumula muito mais rápido do que pode ser removido naturalmente.

Obrigado a Brittney Andrews de Clearlake, Califórnia, pela pergunta. Você pode enviar sua própria pergunta para Ask MIT Climate aqui.


Atração virtual

Outro dia, fiquei feliz em ver que estava longe de estar sozinho em minha perplexidade sobre como a chamada troca de bósons (como & # 8220 portadores de força & # 8221) produz repulsão e atração. Modelado na mecânica clássica como partículas na Teoria Quântica de Campos (QFT) como campos de bóson de calibre & # 8212 Campos de força. No caso de campos eletromagnéticos (EM), são fótons.

Na física um campo de força é um campo vetorial que descreve uma força sem contato atuando sobre uma partícula em várias posições no espaço.

Outras maneiras de fazer essa pergunta em fóruns online são:

  • QED e atração e repulsão eletrostática.
  • Como a troca de fótons virtuais causa atração?
  • Como os fótons virtuais são responsáveis ​​não apenas pelas forças EM repulsivas, mas também pelas atrativas?
  • Alguém pode explicar como funciona a atração [QFT]?
  • O que corresponde a um campo estático em QFT?
  • Qual é a imagem QFT das forças?
  • Derivando a equação da força de Coulomb da ideia de troca de fótons?

A configuração para esta questão vem de declarações como neste artigo Wiki (abaixo) que cita o livro The New Physics editado por Paul Davies (Cambridge University Press, 28 de agosto de 1992). Um link para books.google.com exibe a seção 15.5 & # 8220Partículas virtuais & # 8221, que afirma que & # 8220A força entre duas partículas carregadas resulta da troca de fótons virtuais que carregam o momento, mas não a energia [massa zero]. & # 8230 para que duas partículas carregadas possam trocar fótons virtuais de momento arbitrariamente pequeno e desequilíbrio de energia, dando origem à força de Coulomb, que tem um alcance infinito & # 8221 [um exemplo de diagrama de Feynman também está incluído].

Os fótons mediam as interações eletromagnéticas entre as partículas na eletrodinâmica quântica. Um elétron isolado a uma velocidade constante não pode emitir ou absorver um fóton real, fazendo isso violaria a conservação de energia e momento. Em vez disso, os fótons virtuais podem transferir momento entre duas partículas carregadas. Essa troca de fótons virtuais, por exemplo, gera a força de Coulomb.

Os comentários sobre este tópico em fóruns online são um passeio selvagem do início de 2000 & # 8217s a 2015 [1]. Os primeiros tópicos às vezes são malucos. Modelos de física de partículas. Os posteriores fazem mais referência ao QFT (esta é uma boa tendência, de acordo com físicos como Sean Carroll). Um diagrama de Feynman muito citado sobre transferência fotônica é às vezes analogizado como duas pessoas jogando bolas de basquete para frente e para trás & # 8212, tal troca explica a repulsão geral entre cargas semelhantes (elétrons). Hmm.

Mas como uma troca dessas bolas explica a atração entre cargas diferentes de um elétron e um próton? Há uma grande variedade de comentários sobre esse ponto. Alguns comentaristas usam analogias de bolas de basquete presas ao & # 8220 lançador & # 8221 com uma corda elástica para que a bola avance, mas com uma transferência de impulso negativa. Outros falam sobre energia negativa ou massa negativa ou até mesmo retroceder no tempo. Pares de antipartículas. Alguns se aprofundam na matemática (por exemplo, teoria de perturbação) e como os vetores probabilísticos resultam na transferência de momento apropriada.

Conforme observado acima, as partículas virtuais (fótons virtuais) são freqüentemente citadas como a chave para qualquer & # 8220 mecanismo. & # 8221 Muitos deles. Isso introduz a noção de flutuações transitórias e linhas internas (termos intermediários) nos diagramas de Feynman. As partículas virtuais & # 8220 & # 8221 seguem as mesmas regras das partículas reais?

Na visão da teoria quântica de campos, as partículas reais são vistas como excitações detectáveis ​​de campos quânticos subjacentes. As partículas virtuais também são vistas como excitações dos campos subjacentes, mas aparecem apenas como forças, não como partículas detectáveis.

Então, talvez aquele diagrama de Feynman em particular não seja tão útil. Falar sobre jogar bolas para frente e para trás pode ser difícil demais.

Claro, eu já pensei sobre essa situação antes. Basicamente, em qualquer dos casos & # 8212 atração ou repulsão, deve haver um gradiente de potencial de campo apropriado. E qualquer modelo (com ou sem qualquer partícula sem massa associada) precisa emergir classicamente como a lei de Coulomb & # 8217s para partículas carregadas e uma extensão elétrica adequada (vetor) potencial de campo variando inversamente com a distância.

  • Considere um sistema isolado (idealizado como espaço vazio) contendo duas partículas carregadas livres & # 8220 & # 8221 movendo-se uma em direção à outra em velocidades não relativísticas.
  • Dois casos: (A) as partículas são elétrons (B) uma partícula é um elétron e a outra um próton.
  • O modelo QFT emerge no nível clássico com propriedades Coulomb & # 8230
  • De modo que os gradientes de potencial de campo são contínuos e & # 8220s suaves & # 8221 e o movimento vai de potenciais mais altos para mais baixos. (O deslocamento dos estados de potencial inferior para o superior é possível se as partículas estiverem restritas e o trabalho # 8212 for realizado no sistema.)
  • Os caminhos são definidos pelo princípio da ação.

Para cada tipo de bóson, há um campo. Nesse campo, os bósons podem se & # 8220 se acumular & # 8221 uns sobre os outros. Então, podemos imaginar uma distribuição de densidade probabilística de fótons (virtuais), de modo que o energia (momentum) gradiente obedece (surge como) a lei do inverso do quadrado. Mas isso é uma grande quantidade de fótons virtuais, eh.

Mas vamos ficar com um modelo QFT. Muitos quanta de campo. Não é grande coisa, hein. Para dois elétrons, os gradientes de potencial EM resultam em uma força repulsiva líquida. O potencial de campo (& # 8220resistência & # 8221) fica cada vez mais alto à medida que a distância diminui. O princípio de ação & # 8220 alinha & # 8221 a força ao longo da linha que une as duas cargas. Talvez haja & # 8217s interferência construtiva & # 8212 superposição cada vez mais aditiva de valores vetoriais potenciais (vibrações quânticas na função de onda).

Para um elétron e um próton, pode haver algum tipo de interferência destrutiva quando seus campos potenciais EM são sobrepostos ou o caráter dos respectivos campos é diferente (as linhas do campo de Coulomb apontam radialmente para dentro para uma carga negativa e para fora para uma carga positiva). O último nos leva à primeira possibilidade de qualquer maneira (se alguma propriedade como spin ou fase entrar em superposição). Uma superposição de vibrações quantizadas pode ser aditiva ou subtrativa. Um potencial de campo mais baixo líquido entre as partículas produz uma atração & # 8212 muito parecida com a força líquida & # 8220 empurrando & # 8221 nas placas de Casimir.

Então, há alguma analogia coloquial que possa ser útil? Sem mais balística, hein.

A figura mostra a interferência entre duas ondas esféricas. O comprimento de onda aumenta de cima para baixo e a distância entre as fontes aumenta da esquerda para a direita.

[1] Uma amostra de comentários online

Evidentemente, tudo isso pode ser explicado de alguma forma no livro (caro e técnico) Quantum Field Theory in a Nutshell: (Segunda Edição) de A. Zee, como um revisor observou: & # 8220Agora, para que o leitor não fique confuso, sou um matemático novo na teoria quântica de campos. Mas devo confessar que nunca esperei entender como agora entendo & # 8211 e na p. 36 não menos & # 8211 por que as massas se atraem! & # 8221

Pesquisa geral: campo de Coulomb em QFT

Como a troca de fótons pode gerar força atrativa?

Na verdade, o que acontece é que tanto o elétron quanto o próton têm um campo elétrico ligado a eles porque ambos carregam carga elétrica. Quando dois objetos com carga elétrica são aproximados um do outro, seus campos elétricos se somam, resultando em uma mudança de energia do campo elétrico, ou equivalentemente, uma força entre os objetos carregados. Pelo menos é assim que gosto de pensar a respeito.

QED e atração e repulsão eletrostática

As partículas mensageiras de força realmente explicam a atração entre as partículas?

Isso foi descrito em detalhes por Deser, http://arxiv.org/abs/gr-qc/0411026

O resultado final é que partículas de spin par medeiam forças de atração, partículas de spin ímpar mediam forças repulsivas. É preciso olhar um pouco mais atentamente para entender as exceções aparentes e como elas se encaixam.

Re: Como a troca de fótons virtuais causa atração?

Acho que o problema com essa analogia é que você realmente tem que imaginar um virtual basquete e reconhecer que ele tem propriedades diferentes de um basquete real. Uma bola de basquete real se move em uma direção e carrega o ímpeto nessa direção. Quando você pega uma bola de basquete vindo da sua esquerda, é claro que ela deve ter impulso para empurrá-lo para a direita. Uma bola de basquete virtual pode vir até você da esquerda, mas carrega o ímpeto em qualquer direção.

Richard Feynman foi a primeira pessoa a notar que a equação parece a equação para troca de partículas, então ele (e outros) vieram com a descrição de & # 8220partícula virtual & # 8221 que usamos hoje. (Essa é uma linha útil de raciocínio científico: vale a pena notar o quão próxima a equação para as ondas do mar & # 8220 se parece com & # 8221 a equação para uma corda de violino vibrando, ou um feixe de luz ou como a equação para um capacitor de descarga parece a drenagem de um tanque de água.) A descrição é um pouco estranha & # 8212por isso & # 8217s por que você tem que aturar as massas variáveis ​​e os momentos para trás & # 8212, mas essa & # 8217 é a única maneira que pensamos.

Como os fótons virtuais são responsáveis ​​não apenas pelas forças eletromagnéticas repulsivas, mas também pelas atrativas?

Esse fenômeno certamente não é uma imagem tão intuitiva quanto a descrita na pergunta (os fótons sendo emitidos e absorvidos e, portanto, transmitindo o momento), mas pode ser entendido da mesma maneira. Considere, por enquanto, uma partícula com massa negativa e como ela responderia a um & # 8220push & # 8221 do fóton. Na verdade, ele moveria a partícula na direção oposta, causando a atração referida. Agora imagine que de alguma forma o fato de a carga ser oposta faz com que o fóton virtual se comporte como se a partícula tivesse massa negativa.

Outro comentarista: Os fótons virtuais são chamados de fótons & # 8220virtuais & # 8221 por uma razão. Eles não são reais. Eles são truques matemáticos para tentar quebrar cálculos complexos em pequenos pedaços. Virtual “particles” describe static fields. As such, there is not really any definite particle with a definite location that shoots from one charge to another to deliver the electromagnetic force. Popular media gets this concept wrong all the time. There is just the static electromagnetic field. Like charges repel and opposite charges attract according to how the electromagnetic field operates.

Another: This is a great question!

If you look at Feynman’s 1949 paper where he introduces virtual photons, he explains them in a surprising way. Basically, he treats the reaction of two charged particles to be directly on each other. The only reason he explains virtual photons is to explain the delayed reaction. So his virtual photons don’t have any photon-like properties that you might expect. They just act as a conduit for the properties of the originating particle, and they introduce a delay.

Now virtual photons also appear in quantum field theory. But quantum field theory preserves the mathematics of the classical theory as much as possible. In this case it means that the electromagnetic interaction is described by a potential, which bends the particle motion much as a gravity potential well bends a planet’s orbit. Quantum field theory doesn’t add much to the classical description except to capture the fact that there is probability involved. For example, if the source of the radiation is an atom, there is a probability that the atom never emitted any radiation, so the atom is still in an excited state and the radiation field is zero.

It’s therefore useful to look at this classically. Suppose that the charges are a long way away (such as a light year), and are held in place so they don’t move. Wait for their emitted electric fields to propagate to each other. Now suppose you release one particle.

The particle starts to move the other particle, but it doesn’t “know” that there is another particle in that direction. All that it can know is that there is a gradient that is pushing is an that direction. It could just as easily be a particle of the opposite charge that pushing it away. No momentum is received from the other particle.

The released particle accelerates, and emits radiation according to the Larmor formula. This radiation is in all directions, but strongest perpendicular to the direction of acceleration. This radiation carries momentum, and if you add it up for all directions it balances the change in momentum of the accelerating particle.

Meanwhile, the other particle is one light-year away, and obviously is not affected at all by recent events such as the acceleration of its partner. If you were to release it, it too would start to move and emit radiation. Momentum and energy will be conserved.

This new theory was the quantum theory of *fields*, from which anti-particles are a necessary consequence if you want to have certain conserved quantum numbers…something that observation tells us we should have. This is the framework from which I was working in my repsonse to the original question. Using this framework, we *do* see how particles can attract (and repel) each other via mediators. In fact, you can construct a measurable (macroscopic) electrostatic potential with a basis of positive energy photons as we should be able to do if we are to make contact with the macroscopic world…this potential is the one coming from the classical Maxwell equations.

What corresponds to a static field in QFT

For example for quantized EM field the Hilbert space is made up of photon states which correspond to EM waves classically. However what corresponds to static EM field in QFT? It can’t live in the Hilbert space of photons because any superposition of photon states will still correspond to a traveling EM wave (wave packet).

In the Hilbert space of free-particle photon states, all the photons are transverse. There are also photons with longitudinal and timelike polarizations. Even after imposing a gauge condition, these photons can exist as virtual particles, and do appear in the interaction jμAμ, and therefore can’t be completely dispensed with.

A static EM field has no real photons. The energy between two charges can be calculated by perturbation theory involving virtual photons. To order alpha, this gives the classical EM interaction potential. To higher order, it gives the Lamb shift, etc.

In quantum field theory, a static field is a stationary e/m field whose expectation is independent of time. Photon states arise from the quantization of the fluctuations of the e/m field and are always transverse and real. Longitudinal or virtual photons never enter the picture. Both are fictions stemming from an inadequate interpretation of the QFT formalism that takes perturbative expansions literally.

It sounds like your more general underlying question is: “How do we think about classical electromagnetic fields from the perspective of QED?” In particular, which configuration of quantum fields in QED do we associate with classical fields? How do we derive Maxwell’s equations for these classical fields, using the QED equations of motion for the corresponding quantum fields? How do we derive the Lorentz force law describing the force on electrons?

The basic answer is that classical fields are best represented by coherent states in QED. These states are an infinite superposition of photon number states — that is, there’s nonzero probability of finding any number of photons. (In particular, probabilities for different photon numbers obey Poisson statistics.) The expected value of the electromagnetic field operators for these states corresponds to what we’d classically call the values of the electromagnetic field, and these expected values obey classical Maxwell equations.

A more direct answer to your immediate question: the classical field produced by a static charge corresponds to a quantum field (a coherent state) with high photon number. You point out that single photons are associated with traveling waves, yet somehow we have a static field. There’s no contradiction because the coherent state is a superposition of many such traveling waves and thus has different behavior. Another charge placed nearby will interact with this photon field.

The Coulomb repulsion is a term in the Hamiltonian, not a quantum field.

The transverse part is in the field, the longitudinal part in the Hamiltonian. http://en.wikipedia.org/wiki/Coulomb_gauge#Coulomb_gauge

Thanks for the reference, this seems to answer my question:”It is particularly useful for “semi-classical” calculations in quantum mechanics, in which the vector potential is quantized but the Coulomb interaction is not.”

What is the QFT picture of forces?

Look at the Hamiltonian of QED. It has three terms, one for the electron, one for the EM field, and an interaction term that is like A ⋅ J A ⋅ J . The virtual photons that exchange energy between the field and the matter live in the interaction term.

But it would also be interesting to know how the Coulomb force acts through photons. At some point I will dive into QFT, but for know I was hoping to get a rough answer about what happens when two charges interaction. I mean where/when are there photons? How is momentum conserved?

Deriving the Coulomb force equation from the idea of photon exchange?

The exchange of photons gives rise to the electromagnetic force

What I am getting at is that a single electron doesn’t produce any EM field until it meets another charged particle! Actually, this should make sense if you think about it for a while. How do you detect there is an electron if nothing else at all is present? The simple answer is: you’re out of luck, you won’t detect it. You always need some test particles. So the classical picture of an electrostatic EM field of a point particle describes only what would happen if another particle would be inserted in that field.

Well, turns out all of the above talk about particles (although visually appealing and technically very useful) is just an approximation to the more precise picture of there existing just one quantum field for every particle type and the huge number of particles everywhere corresponding just to sharp local peaks of that field. These fields then interact by the means of quite complex interactions that reduce to the usual particle stuff when once look what those peaks are doing when they come close together.

In a classical framework yes the em force is “always there”. This is not true in a quantum description.


Physics question.

Seeing as where I'm from, physics ain't math (though still a pain in the rear). What happens to a photon when it hits something? Does it stop, cease to exist, pass on thru, love to eat human brains..what? Are my photons virgin, or are they recycled, or even the original photon?

#2 Montanaman

For same answers to some of your questions, you might start here:

#3 Alex McConahay

>>>>>>>What happens to a photon when it hits something? Does it stop, cease to exist, pass on thru, love to eat human brains..what? Are my photons virgin, or are they recycled, or even the original photon?

The energy of the photon is absorbed by an atom. This causes one or more electrons to bounce up to a higher state of excitation. After some time (maybe very little time), the electron bounces back down. This emits another photon.

The photon you see as a star, for instance, comes directly from the very far away star and hits the back of your eyeball. There it excites an atom and that excitation is sensed by a nerve that carries the message to your brain (to make a long story short). So, yes, the photon that hits your eyeball comes all the way from the star. Other photons that were emitted by that star at the same time may hit dust, another star, or something else. If it hits dust, it excites the dust (excites an atom in the dust), and the dust then gives off a different photon. That other photon may come to your eye and be seen as "nebulosity."

Short answer. hope it helps.

#4 PirateMike

In physics there are so many fundamental questions that we do not know the answers to. Things are so strange in the realm of the very small that common knowledge is no help in determining anything. As hard as I try to understand as much of it as I can, it still takes me a while to grasp many of the facts. Some I will never understand, that is why the brighter bulbs of this world are working in physics while I am here writing this post.

#5 sg6

Usually the theory goes that when a photon hits something, it gets absorbed, mind you hitting something means hitting an atom. The photon gets absorbed and the energy state of the atom rises.

This would seem to be two options, the atom moves more so gets "hotter". The other is that an electron jumps up into a higher energy level, where it sits (briefly) then drops back and emits another photon, the direction of this photon is independant of the incoming (absorbed) photon.

Very few bore through and eat the human brain. Means this has a few options: Human brains do not taste good, human brains too dense to eat into, human brains mainly empty and the expenditure to eat is not worthwhile. Many people have a natural and almost perfect defense to these brain eating photons. A thick skull.

Some photons are recycled, ones from the core of the sun are said to take about a million years to get out of the core, they are absorbed and reemitted many times over before they escape out and go looking for a brain. Many of these will get absorbed in the various solar layers as they come out.

I suppose that all emissions from nebula are absorbed and reemitted. Something like the Crab nebula is excited by the neutron star at it's core which excited the atoms and these drop back emitting at the specific wavelengths, Ha, OIII etc, Orion nebula is excited by the emissions from the young stars present there.

The assumption here is that the photon is acting primarily like a partical or packet rather then principally as a wave.

#6 TCW

I am pretty sure the photon will be re-emitted in the infrared as heat.

#7 EJN

As stated above, photons interact with the electrons in a atom. In an ionized gas where there

are free electrons, photons interact with the electrons in what is called "Compton scattering"

which is the reason photons from the core of the Sun take so long to reach the photosphere,

because the Sun is a big ball of ionized gas.

In quantum field theory, the absorption of a photon is described (mathematically) by an

annhilation operator, and the emission of a photon by a creation operator. When a photon

is absorbed, it essentially ceases to exist but the energy it carries is conserved.

#8 stardustborn

So we willingly search out photons from far away to mess with the electrons in our eyeballs which then disturb our brains.

Edited by stardustborn, 05 September 2016 - 06:53 PM.

#9 Alex McConahay

>>>>>>>So we willingly search out photons from far away to mess with the electrons in our eyballs which then disturb our brains.

Generally correct, but you have the sequence a little backwards. We start with our brains already disturbed. The photons do not really disturb us much more.

Oh, and you did not spell "eyeballs" correctly. But that is to be understood.

#10 PeterR280

Imagining photons as a bunch of little balls flying off a star and traveling as discrete particles to your eye is not a proper view of a photon. Light being emitted from a star is electromagnetic radiation just like radio waves. When the radiation at the very short wavelength of light hits an atom, it is absorbed as a quantum of energy, or bundle of energy which is called a photon. Einstein got his Nobel prize for developing this idea for how light is absorbed and emitted by atoms.The interaction between the photon and the atom takes place just like a particle hitting the electron and knocking it to a higher energy level. At high enough energy, even two photons can interact with each other and produce matter/ anti-matter pairs. But the detection of the photon requires an interaction, and until the interaction it behaves as a wave and follows the rules of how waves behave.

If you take an electric charge and move it back and forth, you will create electromagnetic radiation. (run a plastic comb through your hair until it develops a charge and wave it back an forth.) The charge has an electric field that permeates all of the space surrounding it. When you move the charge, you disturb the electric field and that disturbance travels out at the speed of light as electromagnetic radiation. Light is no different, except the frequency of how fast you would have to move the charge back and forth is much higher.

Let's say there is a very distant star that you are looking at through your telescope, but the light is so faint that it is being absorbed as one photon per second by your eye. That single photon is associated with the entire wavefront hitting the whole surface of the lens on your telescope. It follows the rules of diffraction (using Huygens principle) and refraction. You can't view the photon as a little ball that hit a particular spot on the lens, got diverted a bit and finally made it to your eye.

The dual nature of how particles behave at quantum levels, is not at all intuitive and is very difficult to understand in our own human terms and the way we perceive the universe.