Какая тесная взаимосвязь двух полей: частицы одного поля превращаются в частицы другого и наоборот.
Это типично для любых взаимосвязанных полей. В обычной жизни мы этого не замечаем, потому что такие процессы требуют большой дополнительной энергии: чтобы породить новую частицу, нужно затратить энергию порядка
- не меньше, это называется "порог рождения". Это очень много. Например, чтобы породить электрон, нужно затратить 0,5 МэВ - это примерно в миллион раз больше типичных энергий нашего мира: химических реакций, или энергии фотона видимого света. Поэтому в мире наших энергетических масштабов такого и не происходит.
Пояснение: энергию нужно затратить разом, одним куском (квантом), так что не поможет попытаться накопить её из большого количества низкоэнергетических частиц или процессов - например, у яблока при комнатной температуре тепловая энергия намного больше, но она вся поделена между частицами на слишком мелкие порции. Или если взять обычный дневной свет, то фотонов в нём намного больше миллиона, но опять же - это много отдельных маленьких фотонов, так что не годится. В физике квантовых явлений важна энергия одной частицы, или одного акта взаимодействия, и поэтому слово "энергия" начинает означать примерно то же, что и "температура", и "масштаб расстояний", и "масштаб времени". Рождению электронов соответствует температура 10 млрд градусов, или расстояние 0,01 ангстрем.
Однако, такие энергии встречаются в
ядерных реакциях. Ядерные реакции как раз "живут" в подходящем масштабе энергий: единицы МэВ. Например, одиночный нейтрон распадается в протон, и лишней энергии - 1,3 МэВ - как раз хватает, чтобы породить электрон. Во многих других ядерных превращениях тоже рождаются электроны, и такие превращения называются
-распадами.
Ещё чаще такое происходит в экстремальных ситуациях: в горячей плазме Большого Взрыва, в ускорителях элементарных частиц, при взрывах сверхновых звёзд.
Электрон окружен "шубой" из виртуальных фотонов. Значит и фотон окружен "шубой" из виртуальных электрон-позитронных пар?
Да, по сути.
Но почему так считается?
1. Потому что это было действительно обнаружено в экспериментах.
2. И так удачно совпало, что сочетание двух хорошо и надёжно проверенных теорий: классической электродинамики и квантовой механики - вместе дало новую теорию, квантовую электродинамику, которая оказалась действительно соответствующей экспериментам, и выполняющейся в реальности с огромной точностью. Это один из блистательнейших теоретических выводов, совершённых человечеством, далеко затмевающий предсказание солнечных затмений и открытие "на кончике пера" планеты Нептун.
и поэтому порог рождения нулевой: фотоны удаётся порождать в самых низкоэнергетических процессах и системах, включая вещество, охлаждённое почти до абсолютного нуля. Поэтому нам и знакомы в повседневной жизни такие явления, как испускание и поглощение фотона. Но это свойство не только фотона - это общее свойство всех квантовых частиц.