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两块磁铁之间的磁力靠什么粒子来传递?

按现在标准模型的解释,电磁力是电磁场中带电粒子之间的相互作用,是电磁场的规范场粒子交换的结果。而电磁场的规范场粒子就是光子,所以电磁力是靠带电粒子间,交换光子产生的。

光子是如何交换的呢?

关于电磁场中的光子到底是如何交换的?其实,我们并没有具体的观测到,而它们的交换过程,仅是通过现有的理论推导出来的一个“虚过程”,也就是一个假想的过程,而这个过程中的光子,实际上是一种“虚光子”,也就是无法观测的光子。

以两个电子的运动为例,在物理学上最能形象地诠释这一交换过程的方法就是绘制“费曼图”

费曼图,是美国著名物理学家费曼,继薛定谔和海森堡后,提出的第三种诠释量子力学的方法。最大的特点就是通过“看图说话”的方式阐述粒子们的运动状态,它将三维空间简化为一个横坐标,而时间作为其纵坐标,所以又叫做“时空图”

让我们通过“费曼图”来看看两个电子之间的光子是如何传递力的吧。

上图,一个电子运动到A处,发射出一个光子γ ,释放能量转换为反推的动量;另一个电子运动到B处吸收一个光子γ ,变成高能电子,然后再发射光子,释放能量转换为反推动量;两个电子之间不停地吸收、释放,循环往复,能量和动量就在两个电子之间相互传递,表现为两个电子之间的斥力。

每个电子的动量变化,也就等同于另一个电子向它释放的电磁力。

然而,这只是我们推测出来的最简单的一种交换方式,实际上“虚光子”的交换远比这要复杂得多。

在量子理论下,更深层次的运动解释。

在量子理论的体系中,真空是不停发生着“量子涨落”的能量海。

这意味着什么?我们来看看考虑了“量子涨落”的费曼图。

电子在A处在发射出一个光子后,即释放了能量后,这能量会在真空中激发出“虚粒子对”,“虚粒子对”又会在极短时间内相互湮灭,退激释放出光子能量,然后循环往复,在不知道交换多少次后,这个光子才被另一个电子在B处吸收。

这期间的时间是极短的,但却又可以看成发生了无限次的转换,这难以想象的复杂过程最后表现为两个电子之间的电磁力。

电磁场是人类最早认识的规范场,但其深层次的运转规律,直至量子力学出现为止,我们才略窥一二。

但以上的过程,严格来说也只是我们臆想出来的,凭什么说就一定是正确的呢?

朗德因子(g因子)的超精准预言,让我们不得不相信

朗德因子最早来源于经典物理和化学中,是阿尔佛雷德·朗德试图解释反常塞曼效应时,提出的一个常数,反映的是塞曼效应中磁矩与角动量之间的联系。

塞曼效应是指原子在外磁场中发光谱线发生分裂且偏振的现象;历史上首先观测到并给予理论解释的是谱线一分为三的现象,后来又发现了较三分裂现象更为复杂的难以解释的情况,因此称前者为正常或简单塞曼效应,后者为反常或复杂塞曼效应。

简单来说,就是原子由于自身存在磁矩,在外磁场的作用下,能量会变大,因此原有的电子能级就会发生分裂。能级变多,就能辐射出更多的光谱线。

朗德因子相当于就是解释它们之间关系的一个常量。后来被推广到粒子物理领域,称为g因子。而它的取值,随着物理学的发展,几经变换。

1947年,在考虑量子涨落的情况下,发展量子电动力学(QED)的朱利安·施温格等人,先给出的g因子理论计算值为2.002 319 304 402。

随后同年,威利斯·兰姆等人实验观测到兰姆位移效应,并在实验数据下将g因子定值为 2.0023193043768(86)。

这个预测的结果与实验结果惊人匹配度,让人不得不相信由量子理论解释电磁力“虚过程”的正确性。

总结

现实世界中,很多我们原以为已经熟悉的东西,一旦以微观量子领域的视角来分析,你会发现我们竟然变得如此无知。

当然这所有的结论也只是基于我们目前掌握的理论而已,随着科学的发展,下一次颠覆性诠释,又会等好久呢?

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