电磁力本质上是光子的交换,可却看不见
两块磁铁之间靠磁力传递相互作用,磁力属于电磁力,电磁力的媒介粒子是光子。因此,两块磁铁之间的磁力是靠光子传递的,更准确来说是虚光子。
在经典场论中,两块磁铁虽然没有直接接触,但是磁铁周围存在磁场,它们之间是直接靠电磁场进行相互作用的。电磁场拥有能量、质量和动量。在量子场论中,科学家们认为电磁力是由虚光子的交换产生的。
那什么是虚光子?
根据量子力学的表述,真空并不是虚无的,整个空间中充满了能量涨落。因为真空中无时无刻不在产生虚粒子对,虚粒子仅存在很短的时间就会发生湮灭,而真空中的能量涨落就是由此产生的。真空中存在的这种由量子效应产生的能量被称之为真空零点能。
虚粒子是不能够被观测到,但它事实上是存在的,并且能够产生一些物理效应。受真空中的量子涨落影响,两个处于真空中的平行电容板之间就存在相互吸引力,这被称之为卡西米尔效应。实验测算,在10纳米的间隙上,卡西米尔效应大约能产生一个标准大气压的压力。
电磁场源于电荷,在电荷的激发下就会产生虚光子,虚光子是不可以被直接观测到的光子。虚光子具有能量和动量,电磁力本质上就是虚光子的交换。通过虚光子的交换,能量及动量也就发生了转移。
宇宙空间中充满了电磁场,电磁波就是在电磁场中传播的波动能量。光本身就是电磁波,光具有波粒二象性,因此电磁波也可以看成光子,不过这里是实光子,而不是虚光子。
前面已经说过了,虚粒子存在的时间极短,是不能够被观测到的,虚光子也是虚粒子,因此虚光子也是不能够被观测到的。此外,即使是实光子,人眼也只能看见可见光波段,余下的波段都是人肉眼不可见的。
除了电磁力,自然界中的其它三种力也是靠交换粒子产生的
在自然界中一共存在4种基本力,它们是:电磁力、强核力、弱核力、引力。
在规范场论的标准模型中,电磁力是靠光子传递的;强核力则是依靠胶子传递的;弱核力是靠W及Z玻色子传递的;引力理论上是靠引力子传递的。
根据理论,这4种基本力产生于同一机制,后来逐渐分化。目前电磁力和弱核力已经完美的统一了,强核力也已经纳入了统一的框架,就只剩下引力了。未来究竟走向何方,还未可知。
电磁力属于第2强的力(最强的是强核力),和引力一样同属于长程力。它是日常生活中最常见的,也是我们研究的最透彻的一种基本力。比如摩擦力、弹力、分子力等,它们本质上都属于电磁力。
强核力和弱核力,听名字就知道了,它们的作用效果仅局限于原子核内,出了原子核基本上就没它俩的事了。
下图是4种基本力的比较
总结
上述观点就是目前主流科学家关于电磁力本质的前沿解释了。
虽然理论上电磁力是靠交换虚光子产生的,不过目前暂时还无法观测到,这些虚粒子暂时可以看做理论中假想存在的粒子,但由其产生的效应是确实存在的。至于为什么是这样的,我们暂时还不知道,有待更深入的研究。
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