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電磁力本質(zhì)上是光子的交換,可卻看不見

 網(wǎng)摘文苑 2019-08-06

兩塊磁鐵之間靠磁力傳遞相互作用,磁力屬于電磁力,電磁力的媒介粒子是光子。因此,兩塊磁鐵之間的磁力是靠光子傳遞的,更準確來說是虛光子。

在經(jīng)典場論中,兩塊磁鐵雖然沒有直接接觸,但是磁鐵周圍存在磁場,它們之間是直接靠電磁場進行相互作用的。電磁場擁有能量、質(zhì)量和動量。在量子場論中,科學家們認為電磁力是由虛光子的交換產(chǎn)生的。

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那什么是虛光子?

根據(jù)量子力學的表述,真空并不是虛無的,整個空間中充滿了能量漲落。因為真空中無時無刻不在產(chǎn)生虛粒子對,虛粒子僅存在很短的時間就會發(fā)生湮滅,而真空中的能量漲落就是由此產(chǎn)生的。真空中存在的這種由量子效應產(chǎn)生的能量被稱之為真空零點能。

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虛粒子是不能夠被觀測到,但它事實上是存在的,并且能夠產(chǎn)生一些物理效應。受真空中的量子漲落影響,兩個處于真空中的平行電容板之間就存在相互吸引力,這被稱之為卡西米爾效應。實驗測算,在10納米的間隙上,卡西米爾效應大約能產(chǎn)生一個標準大氣壓的壓力。

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電磁場源于電荷,在電荷的激發(fā)下就會產(chǎn)生虛光子,虛光子是不可以被直接觀測到的光子。虛光子具有能量和動量,電磁力本質(zhì)上就是虛光子的交換。通過虛光子的交換,能量及動量也就發(fā)生了轉(zhuǎn)移。

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宇宙空間中充滿了電磁場,電磁波就是在電磁場中傳播的波動能量。光本身就是電磁波,光具有波粒二象性,因此電磁波也可以看成光子,不過這里是實光子,而不是虛光子。

前面已經(jīng)說過了,虛粒子存在的時間極短,是不能夠被觀測到的,虛光子也是虛粒子,因此虛光子也是不能夠被觀測到的。此外,即使是實光子,人眼也只能看見可見光波段,余下的波段都是人肉眼不可見的。

電磁力本質(zhì)上是光子的交換,可卻看不見

除了電磁力,自然界中的其它三種力也是靠交換粒子產(chǎn)生的

在自然界中一共存在4種基本力,它們是:電磁力、強核力、弱核力、引力。

在規(guī)范場論的標準模型中,電磁力是靠光子傳遞的;強核力則是依靠膠子傳遞的;弱核力是靠W及Z玻色子傳遞的;引力理論上是靠引力子傳遞的。

電磁力本質(zhì)上是光子的交換,可卻看不見

根據(jù)理論,這4種基本力產(chǎn)生于同一機制,后來逐漸分化。目前電磁力和弱核力已經(jīng)完美的統(tǒng)一了,強核力也已經(jīng)納入了統(tǒng)一的框架,就只剩下引力了。未來究竟走向何方,還未可知。

電磁力屬于第2強的力(最強的是強核力),和引力一樣同屬于長程力。它是日常生活中最常見的,也是我們研究的最透徹的一種基本力。比如摩擦力、彈力、分子力等,它們本質(zhì)上都屬于電磁力。

強核力和弱核力,聽名字就知道了,它們的作用效果僅局限于原子核內(nèi),出了原子核基本上就沒它倆的事了。

下圖是4種基本力的比較

電磁力本質(zhì)上是光子的交換,可卻看不見

總結(jié)

上述觀點就是目前主流科學家關于電磁力本質(zhì)的前沿解釋了。

雖然理論上電磁力是靠交換虛光子產(chǎn)生的,不過目前暫時還無法觀測到,這些虛粒子暫時可以看做理論中假想存在的粒子,但由其產(chǎn)生的效應是確實存在的。至于為什么是這樣的,我們暫時還不知道,有待更深入的研究。

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