¿Cómo son los fotones virtuales responsables no solo de las fuerzas electromagnéticas repulsivas sino también de las atractivas?

¡Esta es una gran pregunta!

Si nos fijamos en el artículo de Feynman de 1949 donde introduce fotones virtuales, los explica de una manera sorprendente. Básicamente, trata la reacción de dos partículas cargadas para que estén directamente una sobre la otra. La única razón por la que explica los fotones virtuales es para explicar la reacción tardía. Por lo tanto, sus fotones virtuales no tienen propiedades similares a los fotones que pueda esperar. Simplemente actúan como un conducto para las propiedades de la partícula de origen e introducen un retraso.

Ahora los fotones virtuales también aparecen en la teoría cuántica de campos. Pero la teoría cuántica de campos conserva las matemáticas de la teoría clásica tanto como sea posible. En este caso, significa que la interacción electromagnética se describe por un potencial, que dobla el movimiento de las partículas de la misma manera que un potencial de gravedad dobla bien la órbita de un planeta. La teoría del campo cuántico no agrega mucho a la descripción clásica, excepto para capturar el hecho de que hay una probabilidad involucrada. Por ejemplo, si la fuente de la radiación es un átomo, existe la probabilidad de que el átomo nunca haya emitido radiación, por lo que el átomo todavía está en un estado excitado y el campo de radiación es cero.

Por lo tanto, es útil ver esto de manera clásica. Suponga que los cargos están muy lejos (como un año luz) y se mantienen en su lugar para que no se muevan. Espere a que sus campos eléctricos emitidos se propaguen entre sí. Ahora suponga que libera una partícula.

La partícula comienza a mover a la otra partícula, pero no “sabe” que hay otra partícula en esa dirección. Todo lo que puede saber es que hay un gradiente que está empujando en esa dirección. Podría ser fácilmente una partícula de la carga opuesta que la aleja. No se recibe impulso de la otra partícula.

La partícula liberada se acelera y emite radiación según la fórmula de Larmor. Esta radiación está en todas las direcciones, pero es más fuerte perpendicular a la dirección de aceleración. Esta radiación lleva impulso, y si la sumas para todas las direcciones, equilibra el cambio en el impulso de la partícula en aceleración.

Mientras tanto, la otra partícula está a un año luz de distancia, y obviamente no se ve afectada en absoluto por eventos recientes como la aceleración de su socio. Si lo liberara, también comenzaría a moverse y emitir radiación. El impulso y la energía se conservarán.

Los fotones virtuales se llaman fotones “virtuales” por una razón. No son reales Son trucos matemáticos para tratar de descomponer cálculos complejos en pequeños fragmentos. Las “partículas” virtuales describen campos estáticos. Como tal, no hay realmente ninguna partícula definida con una ubicación definida que dispare de una carga a otra para liberar la fuerza electromagnética. Los medios populares se equivocan con este concepto todo el tiempo. Solo existe el campo electromagnético estático. Las cargas similares se repelen y las cargas opuestas se atraen según el funcionamiento del campo electromagnético.

Analizando la repulsión, lo que hacen los fotones virtuales es tomar un impulso positivo (lo que significa que el momento apunta en la dirección de su movimiento) de una partícula y transferirlo a otra partícula. Entonces, de la misma manera, puedo pensar en un fotón intercambiado entre partículas pero con un momento negativo (lo que ahora significa que el vector de momento apunta opuesto a su dirección de movimiento). Recuerde que estas son partículas virtuales, por lo que su impulso no está limitado a estar en la misma dirección que su movimiento. Pero al final del día, esto es solo una analogía que inventé. Prefiero hacer un cálculo y ver el resultado.
He respondido esto en otra parte, la forma de configurar con precisión este problema es mirar todos los diagramas de intercambio de fotones entre dos partículas A y B (digamos) con cargas [matemáticas] q_A [/ matemáticas] y [matemáticas] q_B [/ matemáticas]. Luego, desde el límite de baja energía (no relativista) del potencial efectivo, podemos recuperar el potencial familiar de Coulomb.

Es el mismo mecanismo, las partículas se atraen porque cada una de ellas emite fotones y cuando una emitida por una partícula negativa llega a una por una partícula cargada positivamente, se atraen. Entonces, los fotones son portadores de fuerza de la fuerza electromagnética.

O, ¡se produce un “milagro”! La explicación de Christopher Baird es la más clara y lógica que he escuchado. Aclara lo que he analogizado durante años. Muchas gracias.