Как результат обмена фотоном

Квантовая механика объяснила возникновение силы Кулона и силы Ампера, убывающих обратно пропорционально квадрату расстояния между зарядами, как результат обмена виртуальными фотонами. Заряд окружен облаком виртуальных фотонов, которыми он обменивается с другими зарядами.

Рисунок показывает взаимодействие электронов 1 и 2 путем обмена виртуальным фотоном во втором порядке теории возмущений. Сила взаимодействия пропорциональна числу обменов. Плотность фотонов, испущенных электроном, убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Эта зависимость определяет число обменов и объясняет закон взаимодействия .

На рисунке показан 4-вектор импульса

,

где q – импульс, – энергия. В вершинах A и B выполняются законы сохранения энергии и импульса

A: , ;

B: , .

Уравнения в каждой строке возводим в квадрат и взаимно вычитаем, предварительно умножив уравнение для импульсов на квадрат скорости света С. Для реальных частиц учитываем соотношение между импульсом и энергией

, .

Получаем

,

.

Левые стороны одинаковые, приравниваем правые стороны и получаем

.

В системе отсчета центра масс выполняется

,

тогда

, .

Энергия виртуального фотона равна нулю, он переносит импульс и силовое воздействие. В релятивистской динамике энергия частицы и модули скорости и импульса связаны соотношением

.

Для фотона с получаем . Фотон испускается одним электроном и поглощается другим электроном в один и тот же момент времени, сила взаимодействия передается мгновенно. Полученный вывод подтвержден экспериментально для электромагнитного поля в ближней зоне магнитного диполя с переменным током. В дальней зоне фотоны радиационного поля являются реальными, переносят импульс и энергию в вакууме со скоростью света и имеют .