磁铁之间的磁力是通过什么来传递?

2019-07-16  心梦2016

就目前所知,一切力的相互作用在本质上都可归咎于四种基本力——电磁力、引力、强核力以及弱核力。例如,让磁铁之间互相吸引的磁力、接触力(包括摩擦力、弹性力)在本质上都是属于电磁力。

理论上,每种基本力都由一种基本粒子来传递(传递引力的引力子尚未被发现),以电磁力为例,它的传递依赖于光子。既然电磁作用会交换光子,那么,为什么我们看不到两块相互吸引的磁铁、或者推动物体时所发出的光呢?

根据量子场论,承载电磁力的光子并非是普通的光子,而是虚光子,我们是看不到这种存在时间极其短暂的虚粒子。那么,虚光子又是如何传递电磁力的呢?

虚光子是由“借来的”能量和动量产生的光子,这是不确定性原理的结果。根据∆E∆t≤h/4π,虚光子借的能量也多,它们存在的时间越短。这意味着在一个带电粒子附近,将会产生高能虚光子,它们传播很短的一段距离之后就会消失。能量越低的虚光子,存在时间越久,传播距离越远。从中可以看到,虚光子可以在短时间内违背能量和动量守恒定律。

当一个带电粒子产生虚光子之后,它们很快会被附近的另一个带电粒子吸收。在这个过程中,另一个带电粒子“偿还了”第一个带电粒子“借来的”能量和动量,其结果是能量和动量被转移,由此产生电磁力。从虚光子的产生到消失,时间非常短暂,整个过程的能量和动量是守恒的。

电磁力的传递必然借助于虚光子,而不是实光子,否则整个过程的能量和动量守恒定律将会被打破。举例来说,如果一个最初处于静止状态的电子发射出一个光子,结果将会得到一个电子和一个朝着相反方向运动的光子,这种组成必然比最初处于静止状态的电子具有更多的能量。

不确定性原理避免了这种矛盾。根据不确定性原理,光子可以有能量ΔE,存在的时间为Δt~ħ/ΔE。只要光子被足够快地重新吸收,就不会违背能量和动量守恒定律。由于光子必须被重新吸收而不能被探测到,所以它们被称为虚光子。

根据量子电动力学,带电粒子可以发射和吸收虚光子。由于是虚光子,如果试图阻拦它们,那么,两个带电粒子之间的相互作用就不会发生,所以我们永远无法真正探测到这些光子。虽然这些虚光子不能被直接观测到,但它们对可观测事件的概率有可测量的贡献。

关于虚粒子的存在,一个非常著名的例子是卡西米尔效应。量子场论预言,真空中会出现随机的能量涨落,由此产生一对正反虚粒子。如果在真空中放入两块不带电的平行金属板,那么,金属板之间的虚粒子密度会降低,从而使两个金属板之间产生除了引力之外的吸力,这已经被实验所证实。

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