Электромагнитные взаимодействия с точки зрения квантовой электродинамики

Введение

Мы все наслышаны из школьного курса физики о магнитных и электрических полях и их связи, а также об электромагнитном излучении, выражающемся через их колебания, но сколько из нас осведомлены о подлинной природе электромагнитных явлений?

Взяв за основу тот факт, что электромагнитное поле (также как и свет) состоит из фотонов, можно сделать весьма интересные выводы о структуре электромагнитных взаимодействий.

КЭД

Для начала сделаю небольшое отступление, дабы ознакомить вас с основами квантовой электродинамики.

Такие элементарные частицы, как электрон и протон имеют вероятность взаимодействия с фотонами (в квантовом мире все объекты представляют собой лишь сумму вероятностей), поглощая и испуская их. Испуская фотон, электрон (также как и протон) сам немного подвигается в ту сторону, куда этот фотон летит.

Фотоны притягиваются друг к другу, что можно довольно легко доказать. Рассмотрим две диаграммы:





На первой мы видим два фотона, летящих в две разные точки. Чтобы высчитать вероятность этого события, нужно умножить его этапы, а затем сложить амплитуды вероятностей каждого из тех взаимоисключающих способов, которыми оно может произойти. (Амплитуда вероятности — это стрелка, квадрат длины которой равен самой вероятности. Направление такой стрелки в отношении перемещения фотона из точки A в точку B определяется энергией фотона. Чтобы сложить две амплитуды, нужно совместить конец первой стрелки с началом второй (не меняя их направлений), а затем провести результирующую стрелку — минимальный путь от «хвоста» первой стрелки до «головы» второй, как на рисунке ниже. Она-то и будет их суммой)



Вероятность события, изображённого на первой диаграмме равна:
P(1 — 2) * P(3 — 4) + P(1 — 3) * P(4 — 2)
где P(A — B) — амплитуда вероятности перемещения фотона из точки A в точку B.
На второй диаграмме изображено тоже событие, что и на первой, но точки 3 и 4 совмещены в одну.

Вероятность такого события равна:

P(1 — 3) * P(2 — 3) + P(2 — 3) * P(1 — 3)

Как видите, две стрелки, что мы складываем совершенно одинаковы как по длине, так и по направлению. При сложении они выстраиваются в одну линию и образуют стрелку удвоенной длины (квадрат которой возрастает в четыре раза).

Другими словами, фотоны стремятся быть в одном состоянии, то есть — притягиваются.
Из этого следует, что атом (или любая другая частица) с большей вероятностью испустит фотон, если рядом с ним уже есть фотоны. Эффект усиливается при увеличении числа фотонов.

Магнетизм

Теперь, когда можно считать, что все основные понятия разъяснены, мы можем приступить к обсуждению главного вопроса.

Допустим, электрон испускает фотон, и он достигает протона, который под влиянием близости к нему испускает ещё один фотон (сам к нему немного придвигаясь), а тот, в свою очередь, достигнув электрона (того самого), стимулирует его испустить ещё один фотон, тем самым приблизившись к протону (которого достигал первоначальный фотон). Процесс повторяется, и через некоторое время протон и электрон становятся достаточно близки, чтобы сформировать атом (в данном случае водорода).

Таким образом, обмениваясь с протоном (или с несколькими протонами) фотонами, электрон удерживается в атоме. Стоит отметить, что эти фотоны характеризуют как виртуальные, поскольку как только их испускают одни частицы, другие сразу же поглощают, и следовательно, мы не можем видеть их в завершении эксперимента.

А теперь, представьте куда денутся те фотоны, которые испускают электроны и которые в обычных условиях долетают до протонов в ядрах атомов, если в теле увеличить количество электронов?

А как насчёт смещения всех электронов в один конец физического тела, а всех атомов, потерявших электроны (и ставшими положительно заряженными ионами), — в другой? Эти фотоны будут попросту летать в виде магнитных волн, пока не встретятся с атомами другого тела, чтобы притянуть их к своему (источающему фотоны) телу.

Этим обуславливается магнитное действие электрического тока.

Светодиоды

Представьте себе, что все электроны в теле переместились в один конец, а все атомы без электронов (то есть по сути с дырками вместо электронов) — в другой. Представьте, что будет, если к тем виртуальным фотонам, которыми обмениваются электроны на одном конце с протонами на другом, поднести небольшой пучок электронов (то есть провести ток через это тело). Эти электроны начнут испускать фотоны, вот только уже не виртуальные, а те, которые в совокупности сформируют видимый свет.

На этом моменте я подвожу свой краткий обзор к завершению и надеюсь, что внес немного ясности в эту тему.