光子为什么可以传递电磁力

在我们的宇宙中，光子是我们所知的物质和生命的基本成分之一。所有类型的光（可见光、红外线、紫外线等）都是由光子组成的。光子可以被带电粒子吸收或发射，包括原子内的带电粒子。因此可以产生各种重要的过程和现象，如光合作用、辐射，甚至我们感知到的“颜色”。但光子还有另一个更基本的功能：它们本身就是传递电磁力的粒子。

当带电粒子在磁场中被吸引、排斥，或者弯曲运动轨迹时，光子会承担起重任，因为它是所有这些相互作用背后的根本原因。那么，这种既无质量又不带电的粒子是如何造成所有这些现象的呢？

光子确实只有一种形式，但它们却是电磁力所有这些表现形式的原因。为了理解其中的原因，你很可能必须准备好彻底改变你对现实的看法。

光只不过是一种电磁波，具有与光传播方向垂直的同相振荡电场和磁场。波长越短，光子的能量就越大，但它越容易受到光通过介质时速度变化的影响。

首先你要明白的是，我们熟悉的光（光子）指的是真实粒子。从这个意义上来说，真实有一套非常具体的含义。

1· “真实”意味着我们所谈论的光子携带有限量的正能量。

2· “真实”意味着光子具有固有的动量。

3· “真实”意味着光子有一个起点：空间中的一个位置和一个时间中的一个时刻，光子在该时刻由于与至少一个其他粒子的相互作用而发射。

4· “真实”还意味着，当光子发生相互作用导致其被吸收时，吸收它的量子粒子（或粒子系统）将必须处理光子携带的能量和动量的增加，考虑整个系统时，这些能量和动量将保持守恒。

当你感受到阳光的温暖、看到被月光照亮的物体，或者看到你正在阅读本文的屏幕上像素的颜色时，你就是在体验与真实光子相互作用的效果。穿越太空的光子、被我们的望远镜看到的光子，以及通过光电效应使电子脱离原子的光子，它们都是真实光子的例子。

光电效应详细说明了电子如何根据单个光子的波长被光子电离，而不是根据光强度、总能量或任何其他特性。如果光量子具有足够的能量，它就可以与电子相互作用并电离电子，将其从材料中踢出并产生可检测的信号。

而另一方面，当你谈论传递电磁力的光子时，这些光子根本不是“真实的”，而是另一种虚拟光子。这个概念只有在我们开始用量子宇宙图景取代经典宇宙图景时才会出现。当我们不再将自然界的相互作用力描述为来自遍布整个空间的平滑场，而是来自于量子场和量子粒子交换作用时，我们就要用到虚拟粒子的概念。

传统上，如果你考虑静电力（一个或多个静止带电粒子产生的力），你只需画出一系列电场线 ，其中场线总是以垂直角度与这些电荷相交，并且场线的密度与该位置的场强度相对应 。此时任何粒子受到的力都等于该粒子的电荷乘以其位置的电场强度。

类似的场景也会在经典磁力中出现，只是在这种情况下，磁力的强度和方向不是在磁场方向上，而是垂直于磁场。与受到力的粒子的电荷和速度成正比，也与粒子速度和该位置的磁场线之间的角度成正比。

如果有两个导体，它们带有相等且相反的电荷，那么计算空间中每个点的电场及其强度就只是古典物理学的一项练习。在常规（类似薛定谔的）量子力学中，我们讨论粒子如何响应电场，但场本身并没有被量化。这似乎是量子力学原始表述中最大的缺陷。

然而，当我们从经典物理学转向量子物理学时，这种情况需要改变。毕竟，在我们的宇宙中，不仅粒子具有量子性质，场也必须被视为量子实体。

这是一个巨大的变化！我们可以很容易地想象量子粒子：不是将物质（或任何形式的能量）视为连续的，而是将其视为由大量离散实体组成的。

不是将水视为流体，而是将其视为大量微小粒子的集合。不是将太阳视为热等离子体，而是将其视为电子和电离原子核的集合。不是将光视为连续的波，而是将其视为大量离散的单个光子，其中每个光子都有自己独特的属性（即能量和动量）。

但是，如何从将场视为经典实体转变为将其视为量子实体？这些场最常见的可视化如下所示，显示为空旷的空间，其中没有“源”（或相关类型的带电粒子）。现在，我们认为场不再是平滑、连续和静态的，而是随地点和时间变化的，以随机、不可预测的方式波动。

量子场论计算的可视化显示量子真空中的虚拟粒子。（具体来说，对于强相互作用而言。）即使在空旷的空间中，真空能量也不为零。如果存在超出标准模型预测的额外粒子或场，它们将影响量子真空，并将改变许多量的性质，使其偏离标准模型的预测。然而，QCD 贡献不能像电磁学那样以微扰方式计算。

此类可视化中编码了量子不确定性的概念（尤其是能量/时间不确定性），以及场波动的概念。然而，这些可视化以及其他通常显示粒子-反粒子对从空旷空间“弹出”的可视化动图并没有告诉我们量子场与经典场相比，其究竟是如何工作的。它们只是表明我们对空旷空间的传统观点是不完整的，并试图说明我们对空旷空间的传统“空旷”观点忽略的一个或多个方面。（不幸的是，在此过程中，它们往往会带来更多不必要的误解。）

物理学家将量子粒子之间的相互作用可视化的方式是使用一种非常不同的可视化技术：使用所谓的费曼图。

在费曼图中，我们将单个粒子视为量子实体，例如电子或夸克，并将它们显示为带有箭头的实线，箭头指示它们的传播方向。然后，在这些粒子之间，存在着“交换”的力，这些力被用不同的方式表示：在图中作为波浪线或虚线，在每个顶点将两个（或更多）粒子相互连接。

这张简单的费曼图显示了电子在空间中传播并相互交换光子。这种“虚拟光子”的观点意味着它们负责两个电子之间的动量传递，但对这些图的这种解释是错误的。

在上面这幅图中，“交换”的粒子不是真实的粒子，而只是虚拟粒子，如虚拟光子、胶子或 W 、Z 玻色子。当你看到上面这样的图表时，很容易明白最初的疑问来自哪里。毕竟，事情看起来如下：

· 你有一个粒子，比如电子，它本身具有一定量的运动。

· 然后，突然之间，该电子发射出其中一个玻色子，这意味着电子应该向与玻色子（在本例中为光子）发射的方向相反的方向反冲。

· 接下来，该玻色子（在本例中为光子）被另一个带电粒子（在本例中为另一个电子）吸收，而该电子的运动应该因该吸收而改变，从而更接近光子行进的方向。

· 最后，两个“真实”粒子（在本例中为两个电子）最终会受到净排斥力，这种排斥力是由光子介导的电磁力。

看看费曼图，把我们大多数人对电子和光子（以及动量守恒）的了解结合起来。人们可以在上面的图景中很容易的理解两个带电粒子的“排斥”现象，而“吸引”或“磁弯曲”现象却很难用上面的费曼图来解释。因为我们从根本上误解了这些费曼图实际上编码的内容。

费曼图表示电子-电子散射，这需要对粒子-粒子相互作用的所有可能历史进行总结。正电子是时间倒退的电子这一观点源于费曼和惠勒的合作，但散射相互作用的强度与能量有关，并受描述电磁相互作用的精细结构常数控制。

事实上，费曼图所显示的内容与相互作用的强度或方向没有任何关系。费曼图所说明的只是：

· 哪些粒子在相互作用（这里指的是电子），

· 在相互作用过程中，哪些粒子被交换（这里指的是光子），

· 这些相互作用发生的地点（在这种情况下，在每个电子和光子之间的顶点）。

你在图表中“看到”的其他一切，比如粒子飞出的方向，都是毫无意义的。

费曼图对于执行计算的重要功能是了解哪些粒子在相互作用、哪些粒子在相互作用中被交换、相互作用在哪里进行，以及它们之间发生了什么。虽然我们最初认为这是一个看起来像“棍子”的图，但费曼图的强大之处在于，你只需适当且详尽地绘制这些图形，就可以绘制和收集所有允许的图表，这些图表中有循环，这使你能够随着扩展到越来越高的循环阶数来逐步执行越来越精确的计算。

在量子电动力学中，高阶环路图贡献的效应逐渐减小。然而，随着能量的增加，这些高阶过程变得更加高效，因此精细结构常数的值会随着能量的增加而增加。观察到的常数变化是预期的，但如果与预测不同，则可能证明支撑这种变化的基本常数可能不是真正的常数。

事实是，这些力由我们图示的费曼图中的玻色子介导，它们总是可以有正负号。是什么决定了这一点？对于静电力，它取决于交换光子的粒子上的电荷“符号”是同号还是相反号。其他力，比如强核力，结果总是具有吸引力（或为零），永远不会为负数。如果我们提出引力的量子理论，它也会总是具有吸引力（或为零），因为自然界中不存在负引力电荷（负质量或负能量）。

我们看到的唯一明显悖论源于我们最初的误解：这些真实粒子（即电子）以某种方式发射和交换真实光子。但事实并非如此，因为交换的不是真实光子，而是虚拟光子。这些光子在传统意义上并不存在，如果你在两个相互排斥的电子之间放置一个探测器，你根本检测不到它们之间交换的光子。与携带能量和动量的真实光子不同，虚拟光子仅作为计算工具存在；不存在以任何可测量方式发生的“交换”。

卡西米尔效应（图中为两块平行导电板）将某些电磁模式排除在导电板内部，同时允许它们进入板外。结果，两块板之间会产生吸引力，正如卡西米尔在 20 世纪 40 年代所预测的那样，拉莫罗在 20 世纪 90 年代通过实验证实了这一点。各种量子场论都推导出两块板之间可以存在的电磁波类型的额外限制。

值得一提的是，在量子场论的发展史上，有许多人轻易接受了朱利安·施温格的计算，却因为费曼的计算和图解缺乏数学严谨性而拒绝接受。反对意见多种多样。有人反对，因为这些“内部线”不能代表真实的相互作用。有人反对，因为“动量转移”的图示具有误导性且毫无意义。有人反对，因为费曼和施温格的方法是同一理论的不同表述，但始终得出相同的答案。

但是尽管有这些反对意见，费曼的方法和图表仍然被几乎所有现代物理学家采用。原因很简单：它们是正确计算可观测量的最简单方法，包括相互作用强度、散射振幅和相互作用截面。你必须认识到“内部光子”（或任何其他“交换”粒子）不是真实粒子，它们不会将动量从一个粒子转移到另一个粒子。那些波浪线并不是真正代表粒子，而是代表所谓的传播子。即一个给出发生相互作用的正确概率幅度的函数，它可以从费曼对理论物理学的路径积分中推导出来。

与费曼图中用一条线连接两点的“线”不同，这些“连接线”代表路径积分，或连接发生相互作用的两点的所有可能线。这里仅标出了其中三条可能路径，以方便说明。

简而言之：光子只有一种形式，即无质量的电磁波，具有振荡的同相电场和磁场。当产生真正的光子时，可以测量这些光子的能量和动量（以及其他属性，如偏振、波长和速度），我们的探测器可以直接进行这些关键测量。但是，当我们谈论介导电磁（或任何其他）相互作用的光子（或任何玻色子）时，这些光子在任何意义上都不是真实的。它们可以描述为：

· 虚拟的，

· 作为无限级数中的“项”，近似于相互作用的真实强度，

· 作为一种可视化交互本质的方式。

但我们必须小心，不要混淆它们，不要赋予它们只有真实光子才真正拥有的属性（如能量和动量）。

最大的问题是，费曼图试图将深奥的物理和数学概念以简单易懂的术语表达出来。从很多方面来看，费曼图都取得了成功；它实现了物理学家需要它实现的一切。但它也会造成许多误解，就像把空间结构看作一张铺满保龄球的绷紧床单，以此来来解释广义相对论一样。这个类比在很多方面上是有局限性的，如果你过于遵循它们，你最终会形成误解，而不是更深入地理解自然。在吸引和排斥的场景中，“虚拟光子”并没有什么不同；只有在你执行与这些费曼图实际编码的物理系统相关的计算时，才能发现差异。