שאל את איתן: איך פוטונים מתווכים גם משיכה וגם דחייה?

ביקום שלנו, פוטונים הם אחד המרכיבים החיוניים לחומר - ולחיים - כפי שאנו מכירים אותם. אור מכל הסוגים (גלוי, אינפרא אדום, אולטרה סגול וכו') מורכב מפוטונים, ופוטונים יכולים להיספג או להיפלט על ידי חלקיקים טעונים, כולל בתוך אטומים, מה שמאפשר כל מיני תהליכים ותופעות חיוניים כמו פוטוסינתזה, קרינה, ו אפילו מה שאנו תופסים כ"צבע". אבל פוטונים ממלאים תפקיד נוסף שהוא יותר מהותי: הם עצמם הם החלקיקים שמתווכים את הכוח האלקטרומגנטי. כאשר חלקיקים טעונים מושכים, דוחים או מכופפים בשדה מגנטי, הפוטון הוא זה שמבצע את המשימות הכבדות, שכן הוא הגורם הבסיסי מאחורי כל האינטראקציות הללו.

אז איך זה, אם כן, שהזן האחד הזה של חלקיק, שהוא במקרה גם חסר מסה וגם ניטרלי מבחינה חשמלית, אחראי לכל התופעות הללו? איך "פוטונים מוחלפים" יכולים לעשות הכל: לגרום למשיכה, לדחייה או לכוח כיפוף מאונך? זה מה שג'ון ג'וזף רוצה לדעת, כותב כדי לשאול:

"הכוח האלקטרומגנטי מתווך על ידי פוטונים. ובניגוד לכל הכוחות האחרים, הכוח האלקטרומגנטי יכול להיות מושך או דוחה בהתאם לסימן המטענים המעורבים. מה ההבדל בין אותם פוטונים וירטואליים שמתווכים את הכוחות האלקטרומגנטיים המושכים לעומת הכוח האלקטרומגנטי הדוחה? האם פוטונים לא באים בעצם בטעם אחד?"

פוטונים מגיעים רק בטעם אחד, ובכל זאת הם אחראים לכל הביטויים הללו של הכוח האלקטרומגנטי. כדי להבין איך, סביר להניח שתצטרך להיות מוכן לחולל מהפכה באופן שבו אתה רואה את המציאות.

האור הוא לא יותר מגל אלקטרומגנטי, עם שדות חשמליים ומגנטיים מתנודדים בפאזה מאונכים לכיוון התפשטות האור. ככל שאורך הגל קצר יותר, כך הפוטון יותר אנרגטי, אך הוא רגיש יותר לשינויים במהירות האור דרך תווך.

הדבר הראשון שאתה צריך להבין הוא שכאשר מדובר באור (פוטונים) שאנו מכירים, אנו מתייחסים לחלקיקים אמיתיים. לאמיתי, במובן הזה, יש מערכת מאוד ספציפית של משמעויות.

• "אמיתי" פירושו שהפוטונים שעליהם אנחנו מדברים נושאים כמויות חיוביות וסופיות של אנרגיה.
• "אמיתי" פירושו שלפוטונים יש מומנטום הטבוע בהם: תנע עם גודל וגם כיוון.
• "אמיתי" פירושו שלפוטון יש נקודת מוצא: מיקום במרחב ורגע בזמן שבו אותו פוטון נפלט כתוצאה מאינטראקציה הכוללת לפחות חלקיק אחד אחר.
• ו"אמיתי" גם אומר שכאשר לפוטון יש אינטראקציה שמובילה לספיגתו, החלקיק הקוונטי (או מערכת החלקיקים) הקולט אותו יצטרך להתמודד עם תוספת האנרגיה והמומנטום שהפוטון נשא, אשר יישאר שמור כאשר בוחנים את המערכת הכוללת.

כאשר אתה מרגיש את החום של אור השמש, רואה עצמים מוארים באור הירח, או מזהה את צבע הפיקסלים על המסך שבו אתה קורא את הטקסט הזה כרגע, אתה חווה את ההשפעות של אינטראקציה עם פוטונים אמיתיים. הפוטונים שעוברים בחלל, הנראים על ידי הטלסקופים שלנו, וגורמים להוצאת אלקטרונים מאטומים באמצעות האפקט הפוטואלקטרי, כולם דוגמאות לפוטונים אמיתיים.

האפקט הפוטואלקטרי מפרט כיצד ניתן ליינן אלקטרונים על ידי פוטונים בהתבסס על אורך הגל של פוטונים בודדים, לא על עוצמת האור או האנרגיה הכוללת או כל תכונה אחרת. אם קוונטי של אור מגיע עם מספיק אנרגיה, הוא יכול לקיים אינטראקציה עם אלקטרון וליינן אותו, לבעוט אותו מהחומר ולהוביל לאות שניתן לזהות.

מצד שני, כשמדברים על הפוטונים שמתווכים את הכוח האלקטרומגנטי, הפוטונים האלה אינם "אמיתיים" כלל, אלא הם סוג אחר של חלקיקים: חלקיקים וירטואליים, או במקרה הזה, פוטונים וירטואליים. מושג זה התעורר רק כשהתחלנו להחליף את התמונה הקלאסית שלנו של היקום בתמונה קוונטית: כאשר עברנו מתיאור של כוחות כנגזרים משדות חלקים שחלחלו את כל החלל לנגזרות משדות קוונטיים והחלפת קוונטים. חלקיקים.

באופן קלאסי, אם אתה חושב על הכוח האלקטרוסטטי (הכוח שנוצר על ידי חלקיק טעון אחד או יותר במנוחה), אתה פשוט מצייר סדרה של קווי שדה חשמלי - קווים שנעו "לחוץ" ממטענים חיוביים ו"פנימה" לכיוון שלילי אלה, שבהם קווי שדה חותכים תמיד את המטענים הללו בזוויות מאונכות ושם צפיפות קווי השדה מתאימה לעוצמת השדה באותו מיקום - ולאחר מכן שים לב שהכוח על כל חלקיק יהיה שווה למטען של אותו חלקיק כפול השדה החשמלי במיקומו.

משהו דומה מאוד יפעל גם עבור כוחות מגנטיים קלאסיים, אלא שבמקרה זה הכוח והכיוון של הכוח המגנטי לא יהיו בכיוון השדה המגנטי, אלא בניצב לו: פרופורציונלי למטען ולמהירות של החלקיק שחווה את הכוח, כמו גם הזווית בין מהירות החלקיק לקווי השדה המגנטי במיקום זה.

אם יש לך שני מוליכים עם מטענים שווים והפוכים עליהם, זה תרגיל בפיזיקה קלאסית בלבד לחשב את השדה החשמלי וחוזקו בכל נקודה בחלל. במכניקת הקוונטים הרגילה (כמו שרדינגר), אנו דנים כיצד חלקיקים מגיבים לאותו שדה חשמלי, אך השדה עצמו אינו מקומת גם כן. נראה שזהו הפגם הגדול ביותר בניסוח המקורי של מכניקת הקוונטים.

אולם כאשר אנו עוברים לטריטוריה של פיזיקת הקוונטים מהפיסיקה הקלאסית, התמונה הזו צריכה להשתנות. אחרי הכל, ביקום שלנו לא רק החלקיקים הם קוונטיים בטבע, אלא גם לשדות יש להתייחס כאל ישויות קוונטיות.

זהו שינוי עצום! רבים מאיתנו יכולים לדמיין חלקיקים קוונטיים די בקלות: במקום להתייחס לחומר (או כל צורה של אנרגיה) כרציף, אתה מתייחס אליו כאל מורכב ממספר עצום של ישויות בדידות. במקום להתייחס למים כאל נוזל, אתה מתייחס אליהם כאל אוסף של מספר עצום של חלקיקים זעירים: מולקולות. במקום להתייחס לשמש כאל פלזמה חמה, אפשר להתייחס אליה כאל אוסף של אלקטרונים וגרעיני אטום מיוננים. ובמקום להתייחס לאור כסדרה מתמשכת של גלים, ניתן להתייחס אליו כאל מספר עצום של פוטונים נפרדים, בודדים, כאשר לכל פוטון יש תכונות ייחודיות משלו (כלומר, אנרגיה ותנע).

אבל איך עוברים מלהתייחס לשדות כישות קלאסית להתייחסות אליהם כאל קוונטית? ההדמיה הנפוצה ביותר של שדות אלה מוצגת להלן, ומוצגת עבור שטח ריק, ללא "מקורות" (או חלקיקים טעונים מהסוג הרלוונטי) בתוכו. במקום שדות יהיו חלקים ומתמשכים וסטטיים, אנו רואים אותם כעת כמשתנים ממקום למקום ובזמן, משתנים בדרכים אקראיות ובלתי צפויות.

ויזואליזציה של חישוב תורת שדות קוונטי המראה חלקיקים וירטואליים בוואקום הקוונטי. (באופן ספציפי, עבור האינטראקציות החזקות.) אפילו בחלל ריק, אנרגיית הוואקום הזו אינה אפס. אם יש חלקיקים או שדות נוספים מעבר למה שחוזה המודל הסטנדרטי, הם ישפיעו על הוואקום הקוונטי וישנו את המאפיינים של כמויות רבות הרחק מהתחזיות המודל הסטנדרטי שלהם. עם זאת, לא ניתן לחשב את תרומת ה-QCD באופן מטריד, כמו אלקטרומגנטיות.

מקודדים בהדמיות כגון אלה המושגים של אי ודאות קוונטית - במיוחד של מגוון אי הוודאות של אנרגיה/זמן - כמו גם של תנודות שדה. עם זאת, הדמיות אלו, יחד עם אחרות המציגות בדרך כלל זוגות חלקיקים-אנטי-חלקיקים "צצים" מתוך חלל ריק, אינן מספרות לנו דבר על אופן הפעולה של שדות קוונטיים בהשוואה לשדות קלאסיים. הם פשוט מראים כיצד ההשקפה הקלאסית שלנו על החלל הריק אינה שלמה, ומנסות להמחיש היבט אחד או יותר של מה שמשקיפות ההשקפות ה"ריקות" המסורתיות של החלל הריק. (למרבה הצער, לעתים קרובות מביא איתם עוד תפיסות שגויות לא רצויות בתהליך.)

הדרך שבה פיזיקאים - ובמשך הזמן, גם הדיוטות - מדמיינים בדרך כלל את האינטראקציות בין חלקיקים קוונטיים היא במקום זאת לעשות שימוש בטכניקת הדמיה שונה מאוד: השימוש במה שמכונה דיאגרמות פיינמן. בדיאגרמות של פיינמן, אנו מתייחסים לחלקיקים בודדים כאל ישויות קוונטיות, כגון אלקטרונים או קווארקים, ומציגים אותם כקווים מלאים עם חיצים המציינים את כיוון ההתפשטות שלהם. לאחר מכן, בין החלקיקים הללו, יש כוחות ש"מוחלפים" ביניהם, והכוחות האלה מטופלים בצורה שונה: כקווים גליים, מתפתלים או מקווקוים המחברים שני חלקיקים (או יותר) זה לזה בכל קודקוד.

דיאגרמת פיינמן פשוטה זו מציגה אלקטרונים המתפשטים בחלל ומחליפים פוטון ביניהם. השקפה זו של "פוטונים וירטואליים" מרמזת שהם אחראים להעברת המומנטום בין שני האלקטרונים, אך הפרשנות של דיאגרמות אלו אינה תקפה.

בתמונה זו, החלקיקים ה"מוחלפים" אינם חלקיקים אמיתיים, אלא הם רק חלקיקים וירטואליים, כמו פוטונים וירטואליים, גלוונים או בוזוני W-או-Z. כאשר אתה מסתכל על דיאגרמות כמו זו שמוצגת למעלה, קל לראות מאיפה מגיעה השאלה הראשונית. אחרי הכל, נראה שמה שקורה הוא כדלקמן.

• יש לך חלקיק, כמו אלקטרון, שקיים עם כמות מסוימת של תנועה הטבועה בו.
• ואז, פתאום, האלקטרון הזה פולט את אחד מהבוזונים האלה, מה שאומר שהאלקטרון צריך להירתע מנוגד לכיוון שבו נפלט הבוזון (במקרה הזה, הפוטון).
• לאחר מכן, הבוזון הזה (במקרה זה, הפוטון) נספג על ידי חלקיק טעון אחר (במקרה זה, אלקטרון אחר), כאשר תנועתו של האלקטרון אמורה להשתנות על ידי הקליטה הזו כדי להתקרב לאותו כיוון שבו הפוטון נע .
• ולבסוף, שני החלקיקים ה"אמיתיים", או שני האלקטרונים במקרה הזה, חווים בסופו של דבר דחייה נטו, המתווכת על ידי הפוטון שמתווך את הכוח האלקטרומגנטי.

כשמסתכלים על התמונה של דיאגרמות פיינמן ומחברים את מה שרובנו יודעים על אלקטרונים ופוטונים (ושימור מומנטום), קל לראות איך אפשר להסתכל על זה ולחשוב ש"דחייה" היא טבעית, אבל "משיכה" או " כיפוף מגנטי" קשה להבנה. אבל זה מיסודו לא מבין מה זה שדיאגרמות פיינמן האלה בעצם מקודדות.

דיאגרמת פיינמן המייצגת פיזור אלקטרונים-אלקטרונים, המחייבת לסכם את כל ההיסטוריה האפשרית של אינטראקציות חלקיקים-חלקיקים. הרעיון שפוזיטרון הוא אלקטרון שזז אחורה בזמן צמחה מתוך שיתוף הפעולה בין פיינמן לווילר, אבל עוצמת האינטראקציה הפיזור תלויה באנרגיה ונשלטת על ידי קבוע המבנה העדין המתאר את האינטראקציות האלקטרומגנטיות.

מה שמראה דיאגרמות של פיינמן אינו קשור, למעשה, לעוצמתה או לכיוון של אינטראקציה בשום מובן. כל דיאגרמות פיינמן הממחישות הן:

• אילו חלקיקים מקיימים אינטראקציה (האלקטרונים במקרה זה),
• אילו חלקיקים מוחלפים כחלק מהאינטראקציה (הפוטון במקרה זה),
• והיכן מתרחשות אינטראקציות אלו (בקודקודים בין כל אלקטרון לפוטון במקרה זה).

כל דבר אחר שאתה "רואה" בתרשים, כמו לאיזה כיוון יורדים החלקיקים, הוא חסר משמעות.

זה משהו שאתה לומד בכל פעם שאתה לומד תורת שדות קוונטים בהכשרתך להיות פיזיקאי, אבל זה משהו שלמעשה כל הלא-פיזיקאים לעולם לא נחשפים אליו. החלק החשוב של דיאגרמות פיינמן לביצוע חישובים הוא לדעת אילו חלקיקים מקיימים אינטראקציה, אילו חלקיקים מוחלפים כחלק מאותה אינטראקציה, והיכן נמצאות האינטראקציות (כלומר, קודקודים) ומה קורה ביניהם. למרות ששקלנו זאת עבור דיאגרמה שנראית כמו "מקל" בהתחלה, הכוח של דיאגרמות פיינמן הוא בכך שהיא מאפשרת לך, פשוט על ידי ציור הגרפים הללו בצורה הולמת וממצה, לצייר ולאסוף את כל הדיאגרמות המותרות שאין בהן לולאות. אותם (דיאגרמות מסדר עצים), לולאה אחת, שתי לולאות וכו', המאפשרות לך לבצע חישובים מדוייקים יותר ויותר ככל שאתה מתרחב לסדר לולאות גבוה יותר ויותר.

באלקטרודינמיקה קוונטית, דיאגרמות לולאות מסדר גבוה יותר תורמות להשפעות קטנות יותר ויותר. עם זאת, ככל שהאנרגיה גדלה, תהליכים אלה מסדר גבוה הופכים יעילים יותר, וכך ערכו של קבוע המבנה העדין עולה עם האנרגיה. הריצה הנצפית של הקבועים צפויה, אבל אם היא שונה מהתחזיות, זו יכולה להוות ראיה לכך שהקבועים הבסיסיים העומדים בבסיס הריצה הזו עשויים לא להיות קבועים אמיתיים, אחרי הכל.

המציאות היא שכוחות אלה, המתווכים על ידי הבוזונים בדיאגרמות פיינמן המאוירות שלנו, תמיד יכולים להיות משני סימנים: חיוביים או שליליים. מה קובע את זה? עבור כוחות אלקטרוסטטיים, זה האם "סימני" המטען על החלקיקים שמחליפים את הפוטונים הם דומים (חיובי-חיובי או שלילי-שלילי), מה שמוביל לדחייה, או הפכים (שלילי-חיובי או חיובי-שלילי), מה שמוביל לאטרקציה. כוחות אחרים, כמו הכוח הגרעיני החזק, מתגלים כאטרקטיביים תמיד (או אפסיים); זה אף פעם לא שלילי. אם אי פעם נמציא תורת כבידה קוונטית, היא גם תתברר שהיא תמיד מושכת (או אפס), שכן אין דבר כזה מטען כבידה שלילי (מסה שלילית או אנרגיה שלילית) בטבע.

הפרדוקס הנראה לעין היחיד שאנו רואים נוצר בגלל התפיסה המוטעית הראשונית שלנו: שהחלקיקים האמיתיים האלה (כלומר האלקטרונים) איכשהו פולטים ומחליפיםרִיאָלפוטונים - פוטונים הנושאים כמויות אמיתיות וחיוביות של אנרגיה ומומנטום - ביניהם. אבל זה לא נכון, כי אלה לא פוטונים אמיתיים שמוחלפים, אלא וירטואליים. הפוטונים האלה לא קיימים במובן המקובל: אם הייתם ממקמים גלאי בין שני אלקטרונים שדוחים זה את זה, לא הייתם מזהים פוטונים שהוחלפו ביניהם בכלל. בניגוד לפוטונים אמיתיים, הנושאים גם אנרגיה וגם תנע, פוטונים וירטואליים קיימים אך ורק ככלי חישוב; אין "החלפה" שמתרחשת בכל דרך מדידה.

אפקט קזימיר, המודגם כאן עבור שני לוחות מוליכים מקבילים, מוציא מצבים אלקטרומגנטיים מסוימים מחלקם הפנימי של הלוחות המוליכים תוך שהוא מאפשר להם מחוץ ללוחות. כתוצאה מכך, הלוחות מושכים, כפי שחזה קזימיר בשנות ה-40 ומאומת בניסוי על ידי Lamoreaux בשנות ה-90. את ההגבלות הנוספות על סוג הגלים האלקטרומגנטיים שיכולים להתקיים בין הלוחות ניתן לגזור בתיאוריות שונות של שדות קוונטיים.

ראוי לציין שבתולדות התפתחות תורת השדות הקוונטיים, היו הרבה אנשים שקיבלו בקלות את החישובים שג'וליאן שווינגר עשה, אבל שדחו את החישובים של פיינמן ואת הפרשנות/הדמיה הדיאגרמטית בגלל היעדר קפדנות מתמטית. . ההתנגדויות היו רבות ומגוונות. חלקם התנגדו כי "הקווים הפנימיים" הללו לא היו מייצגים אינטראקציות אמיתיות. חלקם התנגדו משום שהאיורים של "העברת מומנטום" היו מטעים וחסרי משמעות. חלקם התנגדו כי עדיין לא הוכח שהשיטות של פיינמן ושוינגר היו ניסוחים שונים של אותה תיאוריה שתמיד הניבו את אותן תשובות.

אבל למרות ההתנגדויות הללו, השיטות והדיאגרמות של פיינמן הגיעו להיות אלה שאומצו על ידי כמעט כל הפיזיקאים המודרניים מסיבה אחת פשוטה: הם היו הדרך הקלה ביותר לחשב נכון את הנקודות הנראות הנכונות, כולל חוזקות אינטראקציה, אמפליטודות פיזור וחתכי אינטראקציה. מה שאתה צריך להכיר הוא שה"פוטונים הפנימיים" (או כל חלקיק "מוחלף" אחר) אינם חלקיקים אמיתיים, והם אינם מעבירים תנע מחלקיק אחד למשנהו. הקווים המתפתלים אינם מייצגים באמת חלקיקים, אלא מייצגים את מה שמכונהמפיץ: פונקציה שנותנת את משרעת ההסתברות הנכונה להתרחשות אינטראקציות, ואשר ניתן להפיק מתרומתו הגדולה האחרת של פיינמן לפיזיקה התיאורטית,אינטגרלי נתיב.

בניגוד ל"קווים" שאנו מציירים בתרשימים של פיינמן המחברים שתי נקודות על ידי קו בודד, אותם "קווי חיבור" מייצגים אינטגרל נתיב, או את כל הקווים האפשריים המחברים את שתי הנקודות שביניהן מתרחשת אינטראקציה. כאן, רק שלושה מאותם נתיבים אפשריים מצוינים למטרות המחשה.

בקיצור: הפוטון מגיע בטעם אחד ויחיד, הטעם שהוא גל אלקטרומגנטי חסר מסה (או, אם חייבים,) עם שדות חשמליים ומגנטיים מתנודדים, בפאזה. כאשר נוצרים פוטונים אמיתיים, ניתן למדוד את האנרגיה והתנע (ומאפיינים אחרים, כמו קיטוב, אורך גל ומהירות) של אותם פוטונים, והגלאים שלנו יכולים לבצע ישירות מדידות מפתח אלו. אבל כשאנחנו מדברים על הפוטונים (או כל בוזון) שמתווך את האינטראקציה האלקטרומגנטית (או כל אינטראקציה אחרת), הפוטונים האלה אינם אמיתיים בשום מובן. ניתן לתאר אותם כ:

• וירטואלי,
• כמפיצים,
• כ"מונחים" בסדרה אינסופית שמעריכה את החוזק האמיתי של האינטראקציה,
• או כדרך להמחיש את אופי האינטראקציה,

אך עלינו להיזהר שלא לבלבל את עצמנו בכך שאנו מעניקים להם תכונות (כמו אנרגיה ומומנטום) שרק לפוטונים אמיתיים יש בפועל.

הסיבוך הגדול הוא שדיאגרמות פיינמן הן ניסיון להכניס מושגים פיזיקליים ומתמטיים עמוקים למונחים פשוטים ונגישים. הם ניסיון מוצלח לכך במובנים רבים; התרשימים משיגים את כל מה שהפיזיקאים צריכים אותם כדי להשיג. אבל לעתים קרובות הם לא מוצלחים באותו אופן שהתייחסות למרקם החלל כאל סדין מתוח עם כדורי באולינג עליו נועדה להסביר את תורת היחסות הכללית: יש היבטים רבים של האנלוגיה הזו שהם מגבילים ביסודם, ואם אתה עוקב אחריהם מקרוב מדי. , אתה תגמור עם תפיסות שגויות במקום הבנה עמוקה יותר של הטבע. ה"פוטונים הווירטואליים" אינם שונים בתרחישים אטרקטיביים לעומת דוחים; ניתן למצוא את ההבדלים רק כאשר אתה מבצע את החישובים הרלוונטיים למערכת הפיזית שלך שדיאגרמות פיינמן אלו למעשה מקודדות.

שלח את שאלותיך שאל את איתן אלstartswithabang ב-gmail dot com!