按現(xiàn)在標準模型的解釋,電磁力是電磁場中帶電粒子之間的相互作用,是電磁場的規(guī)范場粒子交換的結(jié)果。而電磁場的規(guī)范場粒子就是光子,所以電磁力是靠帶電粒子間,交換光子產(chǎn)生的。
關(guān)于電磁場中的光子到底是如何交換的?其實,我們并沒有具體的觀測到,而它們的交換過程,僅是通過現(xiàn)有的理論推導出來的一個“虛過程”,也就是一個假想的過程,而這個過程中的光子,實際上是一種“虛光子”,也就是無法觀測的光子。
以兩個電子的運動為例,在物理學上最能形象地詮釋這一交換過程的方法就是繪制“費曼圖”。
費曼圖,是美國著名物理學家費曼,繼薛定諤和海森堡后,提出的第三種詮釋量子力學的方法。最大的特點就是通過“看圖說話”的方式闡述粒子們的運動狀態(tài),它將三維空間簡化為一個橫坐標,而時間作為其縱坐標,所以又叫做“時空圖”。
讓我們通過“費曼圖”來看看兩個電子之間的光子是如何傳遞力的吧。
上圖,一個電子運動到A處,發(fā)射出一個光子γ ,釋放能量轉(zhuǎn)換為反推的動量;另一個電子運動到B處吸收一個光子γ ,變成高能電子,然后再發(fā)射光子,釋放能量轉(zhuǎn)換為反推動量;兩個電子之間不停地吸收、釋放,循環(huán)往復,能量和動量就在兩個電子之間相互傳遞,表現(xiàn)為兩個電子之間的斥力。
每個電子的動量變化,也就等同于另一個電子向它釋放的電磁力。
然而,這只是我們推測出來的最簡單的一種交換方式,實際上“虛光子”的交換遠比這要復雜得多。
在量子理論的體系中,真空是不停發(fā)生著“量子漲落”的能量海。
這意味著什么?我們來看看考慮了“量子漲落”的費曼圖。
電子在A處在發(fā)射出一個光子后,即釋放了能量后,這能量會在真空中激發(fā)出“虛粒子對”,“虛粒子對”又會在極短時間內(nèi)相互湮滅,退激釋放出光子能量,然后循環(huán)往復,在不知道交換多少次后,這個光子才被另一個電子在B處吸收。
這期間的時間是極短的,但卻又可以看成發(fā)生了無限次的轉(zhuǎn)換,這難以想象的復雜過程最后表現(xiàn)為兩個電子之間的電磁力。
電磁場是人類最早認識的規(guī)范場,但其深層次的運轉(zhuǎn)規(guī)律,直至量子力學出現(xiàn)為止,我們才略窺一二。
但以上的過程,嚴格來說也只是我們臆想出來的,憑什么說就一定是正確的呢?
朗德因子最早來源于經(jīng)典物理和化學中,是阿爾佛雷德·朗德試圖解釋反常塞曼效應(yīng)時,提出的一個常數(shù),反映的是塞曼效應(yīng)中磁矩與角動量之間的聯(lián)系。
塞曼效應(yīng)是指原子在外磁場中發(fā)光譜線發(fā)生分裂且偏振的現(xiàn)象;歷史上首先觀測到并給予理論解釋的是譜線一分為三的現(xiàn)象,后來又發(fā)現(xiàn)了較三分裂現(xiàn)象更為復雜的難以解釋的情況,因此稱前者為正?;蚝唵稳?yīng),后者為反?;驈碗s塞曼效應(yīng)。
簡單來說,就是原子由于自身存在磁矩,在外磁場的作用下,能量會變大,因此原有的電子能級就會發(fā)生分裂。能級變多,就能輻射出更多的光譜線。
朗德因子相當于就是解釋它們之間關(guān)系的一個常量。后來被推廣到粒子物理領(lǐng)域,稱為g因子。而它的取值,隨著物理學的發(fā)展,幾經(jīng)變換。
1947年,在考慮量子漲落的情況下,發(fā)展量子電動力學(QED)的朱利安·施溫格等人,先給出的g因子理論計算值為2.002 319 304 402。
隨后同年,威利斯·蘭姆等人實驗觀測到蘭姆位移效應(yīng),并在實驗數(shù)據(jù)下將g因子定值為 2.0023193043768(86)。
這個預測的結(jié)果與實驗結(jié)果驚人匹配度,讓人不得不相信由量子理論解釋電磁力“虛過程”的正確性。
現(xiàn)實世界中,很多我們原以為已經(jīng)熟悉的東西,一旦以微觀量子領(lǐng)域的視角來分析,你會發(fā)現(xiàn)我們竟然變得如此無知。
當然這所有的結(jié)論也只是基于我們目前掌握的理論而已,隨著科學的發(fā)展,下一次顛覆性詮釋,又會等好久呢?