Interactiunea prin particule de schimb

[HarapAlb]

 Incercam sa raspundem la intrebarea pusa de Alex.


Interactiunea prin particule de schimb: corect ar fi "interactiunea mediata prin particule de schimb" din motive pe care le vom vedea mai tarziu.

Sa incepem cu un caz simplu: campul electric.
Forta de interactiune electrostatica intre doua corpuri este proportionala cu produsul sarcinilor si invers proportionala cu patratul distantei dintre corpuri. In electrostatica se considera ca forta intre cele doua corpuri incarcate electric apare (se manifesta) instantaneu. Retinem doua aspecte importante: (i) dependenta cu 1/r² ne spune ca forta electrostatica se manifesta indiferent de distanta dintre corpuri (distanta foarte mare intre ele -> forta foarte mica) si (ii) caracterul instantaneu al manifestarii fortei electrostatice.

Daca ramanem in cadrul mecanicii Newtonian (adica mecanica nerelativista: la viteze mici comparate cu viteza luminii) cele doua proprietati enumerate mai sus ale fortei electrostatice sunt valabile. O data cu introducerea teoriei relativitatii (mecanica la viteze apropiate de viteza luminii) s-a introdus principiul localitatii care ne spune ca orice tip de interactiune intre doua corpuri nu se produce forma instantanee, ci din aproape in aproape. Cu alte cuvinte "interactiunea se propaga" din aproape in aproape de la un corp la altul. Prin urmare a doua proprietate a fortei electrostatice nu mai este valabila.

Aici as vrea sa fac o paranteza --- Ca o curiozitate, teoria electrodinamicii (formulata inainte de teoria relativitatii) prezicea ca interactiunea electromagnetica se propaga cu viteza finita (viteza luminii). Asta se intampla pentru ca ecuatiile lui Maxwell sunt invariante la transformari relativiste, Maxwell construind teoria sa bazandu-se pe principii mecanice (campul se propaga prin "eter" care a fost modelat ca un angrenaj de rotite) !! La vremea formularii teoriei sale s-a constatat ca ecuatiile sale nu erau invariante la transformari de tip Galilei si prin urmare se presupunea ca teoria este incorecta. Sa mentionam ca H. Hertz a construit o teorie a electrodinamicii care era invarianta la transformari Galilei, insa nu era invarianta la transformarile Lorentz (relativiste). Pana la urma experimentele au confirmat teoria lui Maxwell, si au invalidad teoria lui Hertz.  Am considerat necesara paranteza pentru ca conceptul propagarii din aproape in aproape este derivat fundamental din teoria relativitatii si nu din teoria electrodinamicii --- Inchid paranteza. 

Din teoria electrodinamicii clasice avem un camp electrodinamic (ca inlocuitorul fortei electrostatice) ce actioneaza pe distante infinite (la fel ca forta electrostatica) si se propaga din aproape in aproape.

Dupa descoperirea si explicarea fenomenelor cuantice s-a constatat ca i se poate asocia campului electromagnetic particula care se cu viteza finita (similar conceptului de actiune din aproape in aproape)  si care are rolul de a media interactiunea intre cele doua corpuri. Particula ce mediata interactiunea electromagnetica este fotonul. Avand doua corpuri incarcate electric forta electrostica dintre ele va fi generata de schimbul de fotoni, insa trebuie precizat ca acesti fotoni sunt virtuali, in sensul ca nu pot fi pusi in evidenta in mod direct ci indirect. Cu alte cuvinte se poate pune in evidenta efectul pe care-l produc (un exemplu este deplasarea lui Lamb, in engleza "Lamb shift",  prezisa pentru nivele de energie ale atomului de hidrogen si care a fost verificata experimental cu precizie foarte mare).

Reteta folosita in explicarea campului electromagnetic ca rezultat al schimbului de fotoni virtuali, se aplica si pentru restul campurilor (mai putin cel gravitational) cunoscute pana acum. Exista o corespondenta intre proprietatile particulelor virtuale de schimb si proprietatile campului "generat" de ele.
De exemplu, forta nucleara ar fi mediata prin particule virtuale de schimb (denumite pioni) cu masa si atunci campul are o variatie cu distanta de genul exp(-r/M) (M fiind masa particulelor de schimb), asa se poate explica calitativ faptul ca forta nucleara are raza de actiune foarte mica, circa 10^(-15) m.

In concluzie, interactiunea mediata prin particule de schimb este un model teoretic care permite explicarea interactiunilor dintre particule.

[Adi]

Buna Alex! Foarte buna intrebarea. Ase se privesc lucrurile de fapt, la nivel subatomic. Nu mai exista forte si acceleratii. Ci doar ciocniri de particule, anihilari de particule, dezintegrari de particule. Schimbari, adica interactii (ceea ce noi numim de obicei forte). Exista patru interactii elementare in natura. Doar partru. Elementare, adica orice alt tip de interactie din Univers poate fi explicata prin o combinare de una sau mai multe din aceste interactii elementare. Fiecare din aceste interactii elementare este mediata de una sau maimulte particula elementara.

Forta electromagnetica-fotonul.
Forta gravitationala - gravitonul.
Forta nucleara tare - gluonii (8 tipuri de gluoni).
Forta nucleara slaba - particulele Z, W+ si W-.

De exemplu, cand doi electroni se resping, ei schimba de fapt un foton (sau mai multi) intre ei. Cum de stie un electron ca exista un alt electron in jur, pentru a stii sa se indeparteze de el? Ei bine, asa cum caracatita are niste tentacule ce le trimite in jur, in explorare, tot asa si electronul trimite niste fotoni in jur, spre explorare. Daca acestia nu intalnesc nimic, ei dispar. Dar daca dau de un alt electron (sau o alta particula incarcata electric), sunt absorbiti de aceasta particula. Astfel, primul electron pierde energie si impuls, iar noul electron castiga energie si impuls. Astfel incat in "ciocnirea intre cei doi electroni" (dar ei nu s-au ciocnit, ci au interactionat la distanta fiind) se conserva energia si impulsul. Acest foton este virtual, in sensul ca daca nu descopera un alt electron in jur pentru a fi absorbit de el, acest foton dispare. Spre deosebire, fotonii de lumina emisi de atomi (precum lumina de la Soare) sunt fotoni reali, ce exista chiar daca nu ar mai exista nimic altceva in Univers.

Notiunea de interactie prin schimb de particule este esentiala in fizica particulelor. Iata aici o animatie care explica aceasta mai bine.

Sper ca este mai clar pentru Alex. Daca nu este, te rog sa revii cu noi intrebari si vom incerca sa raspundem iarasi.

Cu bine,
Adi

[ciresica]

   In concluzie as vrea sa stiu ,forta de iteractiune elecrtostatica  dintre doua corpuri se manifesta instantaneu sau din aproape in aproape ?

                    ciresica.

[HarapAlb]

 Toate fortele (interactiunile) dinte corpuri se manifesta din aproape in aproape, chiar daca sunt situatii (de exemplu in electrostatica) cand interactiunea doar pare sa fie instantanee.

Faptul ca o interactiune s-ar manifesta instantaneu ar impune modificari importante ale fizicii asa cum o cunoastem astazi.

[ciresica]

     ok.va ramane un principiu pt mine.Voi tine seama de el .
           Mersi

[Adi]

Nu inteleg cum poate fi un principiu de viata faptul ca interactiile intre particule de materie nu se transmit instananeu, ci din aproape in aproape, cu o viteza finita (cea a vitezei luminii in vid). Acum, eu am o intrebare. Interactiile in un material (nevid) se deplaseaza cu viteaza luminii in vid? Asa am auzit mereu spunandu-se dar nu are sens, cel putin interactia electromagnetica ar trebui sa fie limitata de viteza luminii in acel material, nu? Dar cum s-au reusit materiale in care viteza luminii este numai de vreo 50 de km/h, aia nu inseamna ca atunci timpul trece mai incet in acele materiale si ca toate interactiile sunt incetinite?

[HarapAlb]

Intr-un material undele se propaga cu viteza mai mica decat viteza luminii in vid (in cazul interactiei electromagnetice). Viteza de propagare a campului electromagnetic intr-un material este data de formula c=c0/n (c0 - viteza luminii in vid, n - indicele de refractie al mediului).  Cand n=1 suntem in vid.

Vitezele foarte mici de propagare a luminii s-au obtinut prin marirea indicelui de refractie ! Iti dai seama ca indicele asta de refractie are o valoare uriasa. In natura nu exista astfel de materiale, insa s-au proiectat si realizat in laborator. Materialele astea sunt in cele mai multe cazuri gaze formate din atomi, iar proprietatea de a incetini foarte mult lumina se manifesta pentru o singura lungime de unda a luminii.

Buna intrebarea ta daca interactiunea electromagnetica s-ar transmite cu viteza mai mica!
Interactiunile intre corpuri se manifesta prin schimb de particule virtuale, in cazul nostru fotoni virtuali, iar din cate stiu particulele astea virtuale, spre deosebire de particulele reale, nu se supun tuturor legilor fizice (nu asculta de conservarea energiei, de relatia de incertitudie a lui Heisenberg). De exemplu, in cazul unui foton ca particula libera rezulta din calcul ca proiectia spinului pe directia de propagare este intodeauna 0 (echivalent cu polarizare transversala), insa fotonii virtuali pot avea proiectia spinului pe directia de propagare egala cu  +/-1 (echivalent cu polarizare longitdinala).

Mai multe despre particulele virtuale nu cunosc. Insa incetinirea luminii s-a facut cu fotoni reali.
Dupa parerea mea particulele virtuale folosesc ca model, dar ceea ce este important in fizica sunt cantitatile/marimile masurabile in experimental. Faptul ca modelul particulelor virtuale concorda foarte bine cu experimentele nu inseamna neaparat ca au loc schimburile astea  de particule virtuale.
Pentru un raspuns concludent ar trebui intrebat un teoretician.

[Adi]

Multumesc pentru completare, HarapAlb. Eu stiu ca toate particulele, atat reale cat si virtuale, conserva legile fizice (atat conservarea energiei, cat si a impulsului). Dar aceste particule nu au masa de repaus (masa invarianta) pe care o are particula reala. Astfel, ele sunt "offshell". Voi intreba un teoretician. Intreaba si tu, daca stii unii.

[HarapAlb]

Incerc sa formulez doua cai de a afla raspunsul al intrebarea ta:

1) Prima modalitate ("quick and dirty"): daca viteza de propagare a luminii este c0/n s-ar modifica constanta de cuplaj (sau alti parametri) in QED ? daca da, atunci interactiunea electromagnetica si-ar modifica taria. (nu cred ca modalitatea asta de a trata problema va oferi raspunsuri consistente pentru ca avem  o amestecatura de parametrii microscopici si macroscopici, pe cand QED este o teorie microscopica, dar cel putin poate ca ar oferi explicatii calitative).

2)A doua modalitate (sa zicem riguroasa): Propagarea fotonilor printr-un anumit mediu este un lung sir de absobtii, reemisii si interferente datorita sarcinilor electrice (nuclee, electroni). Prin urmare, pentru a vedea efectul mediului (constituit din atomi), va trebui sa consideram interactiunea a doua particule in prezenta tuturor atomilor mediului respectiv. De aceea, pe langa interactiunea directa a celor doua corpuri vom avea si interactiuni la care participa sarcile electrice ale mediului. Insa partea importanta este ca toate interactiunile astea se desfasoara in vid (!). Ca urmare nu vor exista particule virtuale de schimb in alt mediu decat vidul si se poate utiliza, in principiu, teoria QED fara nici o modificare. Dezavantajul este ca problema asta se poate rezolva numai numeric (banuiesc).

Intrebarea este daca exista vreun model simplificat, bazat pe teoria QED, care modeleaza interactiunea a doua particule in prezenta altor particule. Totusi, tratand problema in mod riguros nu ar exista schimb de particule virtuale decat in vid.

[Adi]

Incerc sa formulez doua cai de a afla raspunsul al intrebarea ta:

1) Prima modalitate ("quick and dirty"): daca viteza de propagare a luminii este c0/n s-ar modifica constanta de cuplaj (sau alti parametri) in QED ? daca da, atunci interactiunea electromagnetica si-ar modifica taria. Totusi, tratand problema in mod riguros nu ar exista schimb de particule virtuale decat in vid.

Foarte interesanta idee, nu ma gandisem. Poate ca particulelele virtuale nu merg decat in vid. Si atunci interactia electromagnetica, mediata de fotonii virtuali, s-ar propaga cu viteza luminii in vid. Si ajung la o intrebare de electromagnetism clasic, de unde apare, de la nivel atomic, viteza de c0/n a fotonilor in un anumit mediu?

[HarapAlb]

Viteza c0/n nu apare de la nivel atomic.

Cand se scrie ecuatia undelor electromagnetice in medii dielectrice iti apar niste termeni (e vorba polarizatia mediului) ce depind de indicele de refractie n.  Considerand mediul omogen si izotrop termenii astia se grupeaza si in final se obtine o ecuatia de propagare prin mediu "identica" cu cea prin vid, insa in loc de c0 apare c0/n. Daca mediul nu este omogen si/sau izotrop se calculeaza un indice efectiv al mediului si formula devine c=c0/n_eff.

Am pus "identica" pentru ca nu este exact identica in sensul ca indicele de refractie depinde de frecventa f a undei, formula corecta este c(f)=c0/n(f). 

[Adi]

Complet de acord cu tine. Explicatia ta poate fi utila pentru elevi pentru a intelege. Sper ca sa avem elevi de la licee ce pun intrebari si noi sa le raspundem. Elevi ce afla de noi dupa seria de prezentari la licee.

[Alex10101010]

Ms!Am inteles!Dar,la atractia,de ex dintre un proton si un electron,sau ceva asemanator,cum se explica?(eu sunt un simplu elev in cls. aVIIa,si imi doresc sa ajung fizician!!!bineinteles ca am nevoie de explicatii mai pe inteles!)

[HarapAlb]

Probabil ca ai urmarit animatia cu mingiile de baschet  in rol de particule de schimb
Intrebarea ta este justificata: daca incercam sa explicam interactiunea mediata prin particule de schimb folosind conceptele fizicii clasice vom vedea ca particulele ar trebui sa se respinga mereu. Insa ne putem imagina ca doua persoane stau spate in spate si fiecare lanseaza un bumerang care va descrie un arc de cerc si la final sunt prinse, astfel s-ar exercita un impuls care impinge cele doua persoane una spre cealalta.

Fotonii virtuali se comporta fie ca mingii de baschet cand sarcinile au acelasi semn, fie ca bumerange cand sarcinile au semne diferite 


Sincer, nu cred ca exista vreo explicatie intuitiva de modul cum se formeaza fortele cu ajutorul fotonilor virtuali. Cert este ca folosind corect formulele se obtine o forta de respingere sau atractie.

[Adi]

Intr-adevar, nu exista o analogie directa pentru forta de atractie prin schimb de particule. Explicatia lui HarapAlb este super frumoasa. Nu ma gandisem la bumerang. Ma gandisem insa la ceva asemeanator. Daca suntem pe un cerc, si unul trimite cu ceva la dreapta asta se va misca pe cerc si il va lovi pe celalalt din spate facand ca cei doi sa se atraga. Adica daca universul nu ar fi cumva liniar, ci circular. Sau o alta varianta ar fi ca chiar daca ar fi liniar, atunci fiecare din ei sa trimita cata o particula spre exterior si ei atunci se vor apropia. Dar atunci ar fi emise doua particule, nu una. Dar de ce nu s-ar trimite si doua particule?

Alex, foarte incantati suntem sa avem un elev de clasa a saptea intre noi. Continua sa pui intrebari si adu si colegii tai si profesorii tai pe forum. Cum ai aflat de noi?