Почему фотон участвует в электромагнитном взаимодействии

[Allfred]

Почему в википедии написано, что фотон участвует в электромагнитном взаимодействии, если его электрический заряд равен нулю?

[Munin]

Он в нём не участвует, он его переносит. Не читайте викимусорку.

[Allfred]

Munin в сообщении #1032999 писал(а):

Он в нём не участвует, он его переносит. Не читайте викимусорку.

Вот в том-то и дело, что в "викимусорке" есть страничка про калибровочные бозоны, в котором написано, что фотон является квантом эл.-маг. взаимодействия, и в нем участвует. Лажа? И вроде бы помню, что что-то читал про фотон-фотонные взаимодействия в сильных эл-магн. полях...

[Munin]

Викимусорка - потому и мусорка, что в ней понамешаны нормальные слова и бред.

Есть такая штука - калибровочные бозоны. Всё верно. Фотон - один из них (тж. глюон, слабые бозоны, в некотором смысле гравитон).

Фотон - квант электромагнитного взаимодействия. (По-русски будет "является квантом".) Тут тоже верно.

Что насчёт "участвует" - тут можно сказать по-разному.

I. Если мы говорим просто про КТП (квантовую теорию поля). То теория - это набор разных частиц (которым соответствуют пропагаторы - линии свободного движения), и взаимодействий (которым соответствуют вершины - точки, в которые входит по $n$ линий). В электромагнитной теории одна-единственная вершина: в неё входит одна фотонная линия, и две электронные (направленные в разные стороны). Это значит, что электрон сохраняется (или аннигилирует парами с позитроном, или рождается парами), а фотон - рождается или поглощается. Здесь можно сказать, что фотон участвует во взаимодействии, как и электрон. Но при этом, электрический заряд $e$ будет относиться не к электрону, а к самому взаимодействию - это константа электромагнитного взаимодействия, то есть число, связанное именно с вершиной. Он в равной степени характеризует и электрон, и фотон - а по сути, "силу связи" между ними.

Мы знаем, что кроме электронов, бывают и другие заряженные частицы, в том числе с другими зарядами - кварки. У электрона заряд $-e,$ у кварков $+^2\!/\!_3e$ и $-^1\!/\!_3e.$ Таким образом, нужно добавить в теорию ещё несколько вершин - столько же, сколько есть разных типов заряженных частиц. Теперь получается, что заряд относится к каждой частице по отдельности. Разумеется, фотон по-прежнему "участвует во взаимодействии" (фотонная линия входит в каждую из вершин), хотя он и не заряжен.

Бывают другие взаимодействия, кроме электромагнитного. В теориях таких взаимодействий, бывает не одна вершина, а несколько. Например, в КХД (квантовой хромодинамике) - три разных вершины: кварк-глюонная - устроенная по аналогии с электрон-фотонной; трёхглюонная и четырёхглюонная. Кроме того, можно взять теорию, включающую в себя несколько взаимодействий (внимание! это не называется "объединённой теорией взаимодействий" - это более простая штука). Тогда в ней будут, например, вершины, описывающие электромагнитное взаимодействие (с фотоном), и вершины, описывающие цветное взаимодействие (с глюоном).

Всё это технические моменты, а на принципиальном уровне рассматривают КЭД (квантовую электродинамику) именно в варианте с одним типом заряженной частицы - с электроном.

II. Если мы говорим про калибровочную теорию. То теория - это две составляющие. Во-первых, это частицы, которые до введения взаимодействия были свободными. Это были электроны (в КХД - кварки). И во-вторых, это добавленное к ним взаимодействие, которое сразу получается в виде частиц-переносчиков (фотонов, глюонов), и соответствующего набора вершин, в которых переносчики связываются с исходными частицами. Здесь электрический заряд относится к исходным частицам (или любой другой калибровочный заряд, как например, цвет кварков). И здесь скорее можно сказать, что исходные частицы (электроны, кварки) участвуют во взаимодействии, а частицы-переносчики - переносят взаимодействие.

Такое рассмотрение структуры теории - более глубокое, соответствует большему пониманию внутренних взаимосвязей в природе: частицы-переносчики и вершины взаимодействия здесь получаются не какие угодно, а связаны между собой определёнными принципами (калибровочной симметрией).

Сами частицы-переносчики тоже могут оказаться как незаряженными (пример - фотон), так и заряженными (пример - глюон). В последнем случае, правила, по которым частицы-переносчики связываются с заряженными частицами, применяются и сами на себя. Можно сказать, что глюоны заряжены цветным зарядом, и участвуют в цветном взаимодействии как заряженные частицы.

[Allfred]

Munin в сообщении #1033005 писал(а):

Викимусорка - потому и мусорка, что в ней понамешаны нормальные слова и бред.

Есть такая штука - калибровочные бозоны. Всё верно. Фотон - один из них (тж. глюон, слабые бозоны, в некотором смысле гравитон).

Фотон - квант электромагнитного взаимодействия. (По-русски будет "является квантом".) Тут тоже верно.

Что насчёт "участвует" - тут можно сказать по-разному.

I. Если мы говорим просто про КТП (квантовую теорию поля). То теория - это набор разных частиц (которым соответствуют пропагаторы - линии свободного движения), и взаимодействий (которым соответствуют вершины - точки, в которые входит по $n$ линий). В электромагнитной теории одна-единственная вершина: в неё входит одна фотонная линия, и две электронные (направленные в разные стороны). Это значит, что электрон сохраняется (или аннигилирует парами с позитроном, или рождается парами), а фотон - рождается или поглощается. Здесь можно сказать, что фотон участвует во взаимодействии, как и электрон. Но при этом, электрический заряд $e$ будет относиться не к электрону, а к самому взаимодействию - это константа электромагнитного взаимодействия, то есть число, связанное именно с вершиной. Он в равной степени характеризует и электрон, и фотон - а по сути, "силу связи" между ними.

Мы знаем, что кроме электронов, бывают и другие заряженные частицы, в том числе с другими зарядами - кварки. У электрона заряд $-e,$ у кварков $+^2\!/\!_3e$ и $-^1\!/\!_3e.$ Таким образом, нужно добавить в теорию ещё несколько вершин - столько же, сколько есть разных типов заряженных частиц. Теперь получается, что заряд относится к каждой частице по отдельности. Разумеется, фотон по-прежнему "участвует во взаимодействии" (фотонная линия входит в каждую из вершин), хотя он и не заряжен.

Бывают другие взаимодействия, кроме электромагнитного. В теориях таких взаимодействий, бывает не одна вершина, а несколько. Например, в КХД (квантовой хромодинамике) - три разных вершины: кварк-глюонная - устроенная по аналогии с электрон-фотонной; трёхглюонная и четырёхглюонная. Кроме того, можно взять теорию, включающую в себя несколько взаимодействий (внимание! это не называется "объединённой теорией взаимодействий" - это более простая штука). Тогда в ней будут, например, вершины, описывающие электромагнитное взаимодействие (с фотоном), и вершины, описывающие цветное взаимодействие (с глюоном).

Всё это технические моменты, а на принципиальном уровне рассматривают КЭД (квантовую электродинамику) именно в варианте с одним типом заряженной частицы - с электроном.

II. Если мы говорим про калибровочную теорию. То теория - это две составляющие. Во-первых, это частицы, которые до введения взаимодействия были свободными. Это были электроны (в КХД - кварки). И во-вторых, это добавленное к ним взаимодействие, которое сразу получается в виде частиц-переносчиков (фотонов, глюонов), и соответствующего набора вершин, в которых переносчики связываются с исходными частицами. Здесь электрический заряд относится к исходным частицам (или любой другой калибровочный заряд, как например, цвет кварков). И здесь скорее можно сказать, что исходные частицы (электроны, кварки) участвуют во взаимодействии, а частицы-переносчики - переносят взаимодействие.

Такое рассмотрение структуры теории - более глубокое, соответствует большему пониманию внутренних взаимосвязей в природе: частицы-переносчики и вершины взаимодействия здесь получаются не какие угодно, а связаны между собой определёнными принципами (калибровочной симметрией).

Сами частицы-переносчики тоже могут оказаться как незаряженными (пример - фотон), так и заряженными (пример - глюон). В последнем случае, правила, по которым частицы-переносчики связываются с заряженными частицами, применяются и сами на себя. Можно сказать, что глюоны заряжены цветным зарядом, и участвуют в цветном взаимодействии как заряженные частицы.

Хорошо, спасибо, все это более или менее ясно и во многих учебниках описано. Спрошу конкретнее: фотон с фотоном взаимодействует, и если да, то при каких условиях и путем какого взаимодействия?

[photon]

Осторожнее с оверквотингом - на этом форуме он является нарушением: в данном случае совсем необязательно было целиком цитировать предыдущее большое сообщение

[Munin]

Allfred в сообщении #1033021 писал(а):

Спрошу конкретнее: фотон с фотон взаимодействует, и если да, то при каких условиях и путем какого взаимодействия?

Отдельной вершиной - не взаимодействует. Потому что у электромагнитной вершины одна фотонная линия.

Для взаимодействия, фотон должен распасться на электрон и позитрон, и тогда с ними как с заряженными частицами сможет провзаимодействовать второй фотон. Для этого требуется, в результате, больше одной вершины.

Например, два фотона могут родить электрон-позитронную пару.

Другой пример: два фотона могут родить виртуальную электрон-позитронную пару, которая потом обратно распадётся на два фотона. Это называется диаграммой "квадратик", и приводит к рассеянию света на свете. Этот эффект очень слабый, и пока не получен в лабораториях.

Кроме того, существуют фотон-фотонные взаимодействия в веществе, например, в прозрачном кристалле. Но я это вообще оставил за скобками, и говорил только про фундаментальные явления.

-- 02.07.2015 21:24:43 --

Allfred в сообщении #1033021 писал(а):

Хорошо, спасибо, все это более или менее ясно и во многих учебниках описано.

Давайте конкретнее: какие учебники вы читали?

Раз уж вы заговорили про учебники, то лучше черпать информацию из них, а не из викимусорки.

[Утундрий]

О, какие простыни пошли... Я скажу короче. Потому, что взаимодействие, которое переносит фотон, принято называть электромагнитным. Исторически так сложилось, понимаете ли. Так что спор тут по сути об определении. А об определениях спорить не надо. Нехорошо это.

[Allfred]

Munin в сообщении #1033031 писал(а):

Давайте конкретнее: какие учебники вы читали?

Раз уж вы заговорили про учебники, то лучше черпать информацию из них, а не из викимусорки.

Давайте конкретнее: из каких учебников Вы почерпнули ответ на вопрос, который я задал? Не сочтите за оскорбление, просто мне не совсем понятны причины, по которым Вы хотите узнать литературу, которую я читаю. Спасибо за ответ, все понятно, непосредственного фотон-фотонного взаимодействия не существует, в вики неточно написано, но Ваш вопрос про учебники напоминает начальную позицию препода-самодура по отношению к студенту для его гнобления. Название этого форума вроде бы не располагает к такой атаке...

-- 02.07.2015, 22:56 --

Утундрий в сообщении #1033032 писал(а):

О, какие простыни пошли... Я скажу короче. Потому, что взаимодействие, которое переносит фотон, принято называть электромагнитным. Исторически так сложилось, понимаете ли. Так что спор тут по сути об определении. А об определениях спорить не надо. Нехорошо это.

Так вопрос-то не в определениях был. Хотелось узнать, участвует ли фотон сам во взаимодействии, котором переносит. И спора никакого нет, Munin обстоятельно ответил.

[Утундрий]

Allfred в сообщении #1033037 писал(а):

Хотелось узнать, участвует ли фотон сам во взаимодействии, котором переносит.

А что, переносит это ещё не участвует? Судя по тону, подразумевается "не". Но тогда возникает вопрос, в каком негуманоидном смысле вы понимаете участие? То есть, опять же терминология.

Что же до сути дела, то, по сути дела, кто при делах, таких вопрошаний вообще не сделает. Отсюда и недоумение - в чём же дело? И перечень прочитанного - всего лишь попытка понять как докатились до такого положения дел.

[Munin]

Allfred в сообщении #1033037 писал(а):

Не сочтите за оскорбление, просто мне не совсем понятны причины, по которым Вы хотите узнать литературу, которую я читаю.

Чтобы установить какой-то общий язык.

Allfred в сообщении #1033037 писал(а):

Ваш вопрос про учебники напоминает начальную позицию препода-самодура по отношению к студенту для его гнобления.

Вам надо ещё усвоить, что такое бывает не только с самодурами. Что читать учебники необходимо не только для того, чтобы вас не гнобили. Знания - их можно получить только из учебников. Всё, что я вам тут расскажу, - не знания. А только смутные намёки на них.

Allfred в сообщении #1033037 писал(а):

Давайте конкретнее: из каких учебников Вы почерпнули ответ на вопрос, который я задал?

Это, конечно, запросто, и я сам хотел начать советовать литературу. Но для этого, опять же, стоит сначала выяснить ваш уровень: не всякие учебники вы сможете так запросто открыть и начать читать.

Но раз вы спросили иначе, что я читал, то можно с листа. Ну, для начала
Фейнман. КЭД: странная теория света и вещества.
Окунь. Физика элементарных частиц.
Хелзен, Мартин. Кварки и лептоны.
Рубаков. Классические калибровочные поля.
Коноплёва, Попов. Калибровочные поля.

Потом можно упомянуть Пескина-Шрёдера, Ченга-Ли, Ициксона-Зюбера, Волошина-Тер-Мартиросяна, Вайнберга.

Allfred в сообщении #1033037 писал(а):

Хотелось узнать, участвует ли фотон сам во взаимодействии, котором переносит.

Тут, на самом деле, в момент построения КТП, само понятие "участвует" размылось, и стало иметь более широкий смысл. Всё, что входит линиями в вершины, так или иначе участвует. Изменилось само понятие взаимодействия!

В доквантовую эпоху было два этапа понимания:
1) есть два заряда, они притягиваются по закону Кулона - вот это называется взаимодействием.
2) есть заряд, и есть поле - заряд создаёт поле, поле действует на заряд. Вот это называется взаимодействием. Здесь ситуация с двумя зарядами рассматривается как три составляющие: заряд - поле - другой заряд.

Но при этом, заряженные частицы как были до взаимодействия, так и оставались после. Зато волны - колебания поля - могут излучаться и поглощаться. А в квантовой теории оказалось, что разница между первым и вторым непринципиальна. Оказывается, любая частица может поглотиться, может быть создана, может не исчезнуть, но изменить свою природу - превратиться в другую частицу. Иногда это называют иначе: дело в том, что размывается и другая разница, между сущностью и состоянием. И можно равноправно сказать, либо что одна частица превратилась в другую частицу, либо что некая частица изменила состояние, например, заряд. В одном случае, например, у нас нейтрон превратился в протон, а в другом случае - нуклон превратился опять в нуклон (то есть остался нуклоном, не изменился), но изменил состояние.

Вот и получилось, что взаимодействие - это сам факт участия в одном превращении нескольких разных частиц. Причём не обязательно даже, чтобы частицы были разных сортов. Могут взаимодействовать несколько частиц одного сорта. А называть здесь "взаимодействием" отдельно фотоны - несколько теряет смысл.

Впрочем, в калибровочной теории этот смысл несколько восстанавливается. Ну, это я уже говорил.

[Bars21]

Munin в сообщении #1033031 писал(а):

Другой пример: два фотона могут родить виртуальную электрон-позитронную пару, которая потом обратно распадётся на два фотона. Это называется диаграммой "квадратик", и приводит к рассеянию света на свете. Этот эффект очень слабый, и пока не получен в лабораториях.

Стоит добавить, что для пары фотон-виртуальный фотон этот эффект неоднократно получали. Пусть вас не смущает виртуальность второго фотона, процесс тот же, что и для реальных частиц. Так что рассеяние света на свете уже померили.

[Munin]

Да, хорошее замечание. Я не говорил об этом, чтобы не пускаться в тонкости.

[Walker_XXI]

Allfred в сообщении #1033037 писал(а):

Так вопрос-то не в определениях был. Хотелось узнать, участвует ли фотон сам во взаимодействии, котором переносит. И спора никакого нет, Munin обстоятельно ответил.

Да нет, вопрос именно в терминологии, что называть "участием". И тут Munin уже после своего развёрнутого ответа сделал важное уточнение:

Munin в сообщении #1033078 писал(а):

Всё, что входит линиями в вершины, так или иначе участвует.

Именно это и имелось ввиду в википедии.

Слова "участвует ли фотон сам во взаимодействии, которое переносит", видимо надо трактовать, как вопрос о наличии самодействия. Самодействия нет - фотон не обладает электрическим зарядом. К слову сказать, другие калибровочные бозоны - глюоны - несут цветной заряд и обладают самодействием.