03.07 兩塊磁鐵之間的磁力靠什麼粒子來傳遞?

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磁鐵是以電磁作用力來傳遞能量的,電磁作用力是人類迄今發現的四種作用力之一,是目前研究最透徹,日常生活中最常見的力。

有人看到兩塊磁鐵能夠相互吸引,就很直觀的想起了萬有引力,認為這是引力作用,其實則完全是錯誤的。引力的本質是質量對時空的扭曲,而電磁作用力的本質是物體之間的電荷,通過帶電粒子與電磁場相互作用產生的力場。

我們在日常生活中看到的所有力的現象,幾乎都是電磁作用力。如電力、摩擦力、彈性力、機械力等,聲波也是一種機械波,因此也屬於電磁作用力的表現。

磁鐵由於其原子內部結構比較特殊,本身就具有磁矩,產生磁場,並且可以進行電磁轉換,因此磁鐵相互吸引也是電磁力的一種表現。

電磁力的傳遞媒介是光子。

這些光量子通過電磁場而傳遞能量,傳遞的方式是電磁波,具有波粒二象性,是相同且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發射的震盪粒子波,是以波動的形式傳播的電磁場。

電磁相互作用力是四種力裡面第二強力,如果把強相互作用力的強度比作1,那麼電磁相互作用力的強度就是1/137,弱力的強度就是10^-13,引力的強度就是10^-39。

可見引力是一種最弱的力,與強力和電磁力的強度相差若干億億億倍。

但引力和電磁力都是長程力,作用距離最長,理論上無限遠,但都與距離成反比。這兩種力還有一個共同點就是都主要表現在宏觀中,引力更多的表現在天體運行,而電磁力則表現在人類能夠看到的各種現象中。

強力弱力則表現在我們平時看不到的微觀世界,強力主要作用於中子和質子間,弱力作用距離更短,只在夸克、電子、中微子等層面起作用。

這些力的傳遞媒介只有電磁力和強力、弱力比較清楚。

前面說了電磁力是靠光量子傳遞,但各位不要誤會光量子就一定會發光,光有可見光和不可見光,不可見光以無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和γ射線的形式傳遞。

傳遞強力的媒介為膠子,傳遞弱力的媒介為費米子或玻色子。

引力的傳遞媒介還沒有定論,量子力學認為引力是由引力子傳遞,但還只是一種猜想,沒有證據證明。

目前人類發現的所有現象都屬於這四種基本作用力的範疇,而電磁作用力是人類目前研究最透徹的力,其規律早就在麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式中得到詮釋。

就是這樣,歡迎討論。

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時空通訊


兩塊磁鐵之間靠磁力傳遞相互作用,磁力屬於電磁力,電磁力的媒介粒子是光子。因此,兩塊磁鐵之間的磁力是靠光子傳遞的,更準確來說是虛光子。

在經典場論中,兩塊磁鐵雖然沒有直接接觸,但是磁鐵周圍存在磁場,它們之間是直接靠電磁場進行相互作用的。電磁場擁有能量、質量和動量。在量子場論中,科學家們認為電磁力是由虛光子的交換產生的。

那什麼是虛光子?

根據量子力學的表述,真空並不是虛無的,整個空間中充滿了能量漲落。因為真空中無時無刻不在產生虛粒子對,虛粒子僅存在很短的時間就會發生湮滅,而真空中的能量漲落就是由此產生的。真空中存在的這種由量子效應產生的能量被稱之為真空零點能。



虛粒子是不能夠被觀測到,但它事實上是存在的,並且能夠產生一些物理效應。受真空中的量子漲落影響,兩個處於真空中的平行電容板之間就存在相互吸引力,這被稱之為卡西米爾效應。實驗測算,在10納米的間隙上,卡西米爾效應大約能產生一個標準大氣壓的壓力。


電磁場源於電荷,在電荷的激發下就會產生虛光子,虛光子是不可以被直接觀測到的光子。虛光子具有能量和動量,電磁力本質上就是虛光子的交換。通過虛光子的交換,能量及動量也就發生了轉移。

宇宙空間中充滿了電磁場,電磁波就是在電磁場中傳播的波動能量。光本身就是電磁波,光具有波粒二象性,因此電磁波也可以看成光子,不過這裡是實光子,而不是虛光子。

前面已經說過了,虛粒子存在的時間極短,是不能夠被觀測到的,虛光子也是虛粒子,因此虛光子也是不能夠被觀測到的。此外,即使是實光子,人眼也只能看見可見光波段,餘下的波段都是人肉眼不可見的。

除了電磁力,自然界中的其它三種力也是靠交換粒子產生的

在自然界中一共存在4種基本力,它們是:電磁力、強核力、弱核力、引力。

在規範場論的標準模型中,電磁力是靠光子傳遞的;強核力則是依靠膠子傳遞的;弱核力是靠W及Z玻色子傳遞的;引力理論上是靠引力子傳遞的。



根據理論,這4種基本力產生於同一機制,後來逐漸分化。目前電磁力和弱核力已經完美的統一了,強核力也已經納入了統一的框架,就只剩下引力了。未來究竟走向何方,還未可知。

電磁力屬於第2強的力(最強的是強核力),和引力一樣同屬於長程力。它是日常生活中最常見的,也是我們研究的最透徹的一種基本力。比如摩擦力、彈力、分子力等,它們本質上都屬於電磁力。

強核力和弱核力,聽名字就知道了,它們的作用效果僅侷限於原子核內,出了原子核基本上就沒它倆的事了。

下圖是4種基本力的比較

總結

上述觀點就是目前主流科學家關於電磁力本質的前沿解釋了。

雖然理論上電磁力是靠交換虛光子產生的,不過目前暫時還無法觀測到,這些虛粒子暫時可以看做理論中假想存在的粒子,但由其產生的效應是確實存在的。至於為什麼是這樣的,我們暫時還不知道,有待更深入的研究。


科學探索菌


磁鐵的磁力屬於靜磁力,也是電磁力的一種極限存在形式。所以說兩塊磁鐵之間是通過交換光子來實現磁力的傳遞的。

看到這個結論很多同學可能會覺得不可思議,磁場要考光子傳遞力,為何我們使用兩塊磁鐵相互作用時沒有看到光線呢?

注意,這裡所述的光子都是虛光子,並非真實的光子!而多數傳遞電磁力的光子都是虛光子!何為虛光子,就是說不可直接觀測的光子,所以我們看不見它們。粒子傳遞力的作用,就好比是湖面上有兩個船甲乙。甲船給乙船跑過去一個鉛球,甲船收到鉛球的反作用力,產生了一個推力;而乙船接到鉛球后,也會收到鉛球的一個推力,所以這麼看好像甲乙兩船之間產生了一個反向的相互作用力,而傳遞力的粒子就是這個鉛球。

如果把甲乙兩個船看成兩個磁鐵,那麼鉛球換成沒有質量的虛光子,那麼就是這個不可見的虛光子在兩個磁鐵之間傳遞了靜磁力。


科學探秘頻道


宇宙基本作用力統一為“衝氣以為和”,空間是充滿“以太”的流體環境,兩個物體在流體中運動,同向運動相吸,逆向運動相斥,萬有引力、磁力、強核力、弱核力都是物體在流體中運動產生的相互作用力。自轉的物體在流體中運動還會產生公自轉偏向力,使物體產生公轉現象或產生物質波現象,公自轉偏向力是宇宙的第五基本力。

在四氧化三鐵結構中鐵離子處於2價與3價的變化之中,有一個電子一直圍繞著這三個鐵離子做圓周運動。相鄰的兩個電子在空間流體環境中運動,同向運動相吸,逆向運動相斥,產生了磁場。


太上邪神


這個很好用排除法來作答,自然界主要有4種基本作用力,它們分別是電磁相互作用力、強相互作用力、弱相互作用力、引力。

首先這兩塊磁塊不是通過引力、弱力來傳遞的,因為弱力是隻與原子的放射性有關的,其次不可能是引力的原因是,雖然磁塊有質量,但是質量很低,引力只是起到了很微小的作用。

最後不是強力,強力是短程力,有多短呢,就是僅作用於原子核中,我們知道原子核只佔原子總體積很小很小的部分,所以不是強力。

最終就只剩下電磁力了,答案就是電磁力。

電磁相互作用力是平時生活中最常見的一種力,在生活中見到的力,除了引力就是電磁力了,比如彈力、摩擦力等等各種力,其本質其實就是電磁力。

電磁力是用什麼東西來傳遞的呢,量子電動力學是這樣解釋的,通過發射和吸收光子來傳遞電磁力,所以光子是一切電磁力傳遞的媒介。

個人的淺見,你們有什麼要補充說明的嘛?


科學船塢


答:電磁相互作用的傳遞粒子是光子,但這裡不是一般的光子,而是不可直接觀測的虛光子。


目前人類已發現四種相互作用,其中電磁力描述的是電荷之間的相互作用,在日常生活中,我們能接觸到的真實力,除重力外,其他的本質上都是電磁力;比如拉力、彈力、摩擦力、支撐力等等。

在量子場論中,描述每種相互作用都有傳遞粒子,比如強力的傳遞粒子是膠子,弱力的傳遞粒子是w玻色子和z玻色子,引力的傳遞粒子是引力子(引力子還未被證實),而電磁力的傳遞粒子是光子。

我們知道,光子就是電磁波,電磁波的頻率波段有非常寬的範圍,可見光(400nm~760nm)只是非常狹小的一個波段。

我們人眼只看感知可見光波段的光子,實驗儀器可以檢測出所有波段的光子;但是電磁相互作用的傳遞粒子,並非一般的光子,而是“虛光子”,虛光子不能直接觀測到。


由於量子力學中的不確定性原理,虛光子具有動量和質量的不確定度,虛光子存在的時間極短,而且虛光子不滿足相對論能量三角形。

虛光子的概念比較難理解,它的性質很多時候和實光子相似,比如沒有靜止質量,始終以光速運行等等。


或許可以把虛光子看成一種數學處理的結果,在數學描述上虛光子比實光子多了一個虛數單位“i”,在處理過程中虛光子和實光子遵循一樣的法則,但是最終在計算可觀察量時,虛光子就會自動消失。

就好比我們在使用複變函數,來計算一些實積分時,積分路徑雖然通過了複平面,但是最終的積分結果,虛數單位“i”會自動消失,最終得到一個實數值。


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其實說白了,這個問題是在問四大作用力中的“電磁力”到底是咋回事?


凡事如果一直問“為什麼”總是可以問個無限循環下去的,我就來說說,關於電磁力,目前科學家研究到什麼一個程度?


我們從桌子能立在地面上說起,我們上學時,老師會說這是因為桌子受到了支持力,支持力和重力平衡了。

那麼問題來了,為什麼地面會給予支持力?當時我們是不知道,老師也不會教?

我們再回首四大作用力:引力,電磁力,弱力,強力。支持力肯定是其中一款,引力是物體之間的吸引力,所以不可能;弱力和衰變有關,所以也不可能;強力是原子核內的作用力,也不可能。所以其實這個支持力只能是電磁力。也就是說磁鐵互相吸引和支持力其實是一個類型的力。

那我們來繼續說,什麼是電磁力?你地面的支持力和桌子的壓力是一對作用力和反作用力,地面受到一個微小形變,而產生了支持力。

為什麼微小形變會產生作用力?

我們可以把桌子和地面可以看成兩團電荷,之間的電磁排斥作用宏觀體現為壓力與支持力。

為什麼會有電磁相互作用?

科學家發現了世界上存在著正負兩種電荷,存在著摩擦起電,磁針偏轉等現象。麥克斯韋方程組能很好地描述電磁相互作用。更進一步,量子場論(Quantum Field Theory)的觀點告訴我們,力的作用不是超距的,所有的相互作用都是兩個物體交換一個媒介粒子而發生的,電磁力實際上就是交換光子。我們有了新的觀點,不再說電磁力了(事實上在分析力學的框架建立之後,"力"就不再是我們主要討論的內容了),但這只是觀點上的革新,交換光子和電磁相互作用指的還是同一件事。

你依然可以繼續問,為什麼自然界裡可以交換光子?我們不知道。這需要更深層的物理。

其實“存在四種相互作用”是一個很原始很基礎的描述,這是經過了大量的經驗歸納之後才總結出來的,暫時,沒有比這還基礎的知識,能用來解釋它了。


鍾銘聊科學


這個問題其實本質上是在問電磁力之間的介質粒子。

電磁力

人人都知道四大基本相互力:引力,電磁作用力,強作用力,弱作用力。

為什麼說是四大基本力呢?因為目前我們所有的作用力都可以劃分到這四種力之中,很多人自認為對電磁力很瞭解,那麼電磁力就只是指電和磁之間的作用力嗎?

你認為彈力,摩擦力屬於什麼力呢?沒有它們本質上都是電磁力!其實電磁作用本質上就是指帶電粒子與電磁場的相互作用以及帶電粒子通過電磁場傳遞的相互作用。

電磁作用力靠什麼傳遞?

四大基本相互作用已經全部發現,可以說如果能將這四大力完全瞭解,那麼在一定程度上意味著人類科技向前邁出了一大步。

在瞭解這四大力的時候,人們一直在思考這四大力是靠什麼傳遞的?通過不斷研究發現強相互作用靠膠子傳遞,弱相互作用靠費米子或玻色子傳遞,而電磁相互作用則是靠光子傳遞!

注意這裡的光子並不是指通常意義上的光子,而是指虛光子,因此磁鐵之間的感光紙是無法探測到虛光子的。


科學認識論


按現在標準模型的解釋,電磁力是電磁場中帶電粒子之間的相互作用,是電磁場的規範場粒子交換的結果。而電磁場的規範場粒子就是光子,所以電磁力是靠帶電粒子間,交換光子產生的。

光子是如何交換的呢?

關於電磁場中的光子到底是如何交換的?其實,我們並沒有具體的觀測到,而它們的交換過程,僅是通過現有的理論推導出來的一個“虛過程”,也就是一個假想的過程,而這個過程中的光子,實際上是一種“虛光子”,也就是無法觀測的光子。

以兩個電子的運動為例,在物理學上最能形象地詮釋這一交換過程的方法就是繪製“費曼圖”。

費曼圖,是美國著名物理學家費曼,繼薛定諤和海森堡後,提出的第三種詮釋量子力學的方法。最大的特點就是通過“看圖說話”的方式闡述粒子們的運動狀態,它將三維空間簡化為一個橫座標,而時間作為其縱座標,所以又叫做“時空圖”。

讓我們通過“費曼圖”來看看兩個電子之間的光子是如何傳遞力的吧。

上圖,一個電子運動到A處,發射出一個光子γ ,釋放能量轉換為反推的動量;另一個電子運動到B處吸收一個光子γ ,變成高能電子,然後再發射光子,釋放能量轉換為反推動量;兩個電子之間不停地吸收、釋放,循環往復,能量和動量就在兩個電子之間相互傳遞,表現為兩個電子之間的斥力。

每個電子的動量變化,也就等同於另一個電子向它釋放的電磁力。

然而,這只是我們推測出來的最簡單的一種交換方式,實際上“虛光子”的交換遠比這要複雜得多。

在量子理論下,更深層次的運動解釋。

在量子理論的體系中,真空是不停發生著“量子漲落”的能量海。

這意味著什麼?我們來看看考慮了“量子漲落”的費曼圖。

電子在A處在發射出一個光子後,即釋放了能量後,這能量會在真空中激發出“虛粒子對”,“虛粒子對”又會在極短時間內相互湮滅,退激釋放出光子能量,然後循環往復,在不知道交換多少次後,這個光子才被另一個電子在B處吸收。

這期間的時間是極短的,但卻又可以看成發生了無限次的轉換,這難以想象的複雜過程最後表現為兩個電子之間的電磁力。

電磁場是人類最早認識的規範場,但其深層次的運轉規律,直至量子力學出現為止,我們才略窺一二。

但以上的過程,嚴格來說也只是我們臆想出來的,憑什麼說就一定是正確的呢?

朗德因子(g因子)的超精準預言,讓我們不得不相信

朗德因子最早來源於經典物理和化學中,是阿爾佛雷德·朗德試圖解釋反常塞曼效應時,提出的一個常數,反映的是塞曼效應中磁矩與角動量之間的聯繫。

塞曼效應是指原子在外磁場中發光譜線發生分裂且偏振的現象;歷史上首先觀測到並給予理論解釋的是譜線一分為三的現象,後來又發現了較三分裂現象更為複雜的難以解釋的情況,因此稱前者為正常或簡單塞曼效應,後者為反常或複雜塞曼效應。

簡單來說,就是原子由於自身存在磁矩,在外磁場的作用下,能量會變大,因此原有的電子能級就會發生分裂。能級變多,就能輻射出更多的光譜線。

朗德因子相當於就是解釋它們之間關係的一個常量。後來被推廣到粒子物理領域,稱為g因子。而它的取值,隨著物理學的發展,幾經變換。

1947年,在考慮量子漲落的情況下,發展量子電動力學(QED)的朱利安·施溫格等人,先給出的g因子理論計算值為2.002 319 304 402。

隨後同年,威利斯·蘭姆等人實驗觀測到蘭姆位移效應,並在實驗數據下將g因子定值為 2.0023193043768(86)。

這個預測的結果與實驗結果驚人匹配度,讓人不得不相信由量子理論解釋電磁力“虛過程”的正確性。

總結

現實世界中,很多我們原以為已經熟悉的東西,一旦以微觀量子領域的視角來分析,你會發現我們竟然變得如此無知。

當然這所有的結論也只是基於我們目前掌握的理論而已,隨著科學的發展,下一次顛覆性詮釋,又會等好久呢?


想法捕手


兩塊磁鐵之間的磁力靠什麼粒子來傳遞?

要來分析這個問題,我們首先來了解下兩塊磁鐵之間的磁力是屬於什麼力,那樣才能去了解這種力是通過什麼方式來傳播的!

一、引力

引力是長程力,它是中基本作用力中最小的那個,但在天體相互作用中,引力則是最普遍的作用力!引力子是被認為用來傳輸引力的,但迄今為止仍然在猜測中,或者我們暫時也可以認為這是錯誤的,畢竟都沒有獲得公認,在量子力學中,引力子的定義是:一個自旋為2、質量為零的玻色子!

二、電磁力

為什麼將磁和電統一了為電磁力,因為這兩者是統一互相可以轉換的,與引力一樣,電磁力也屬於長程力,而這個對於我們日常工作與生活幫助最大,幾乎所有的電動設備都是這個作用力在起著作用!而實現它作用力的媒介粒子就是光子,因為這離不開電磁波,而整個電磁波段其實就是光的不同波段而已,有的我們能看到,有的則看不到,而磁力就是我們看不見的那一類!

三、弱相互作用力

弱相互作用靠費米子或玻色子傳遞的,它是四種作用力中第二弱、作用距離最短的一種力。它僅僅只作用於電子、夸克層子、中微子等費米子,並制約放射性等作用!

四,強相互作用力

質子與中子之間的核力即為強相互作用力,強相互作用力是四種基本力中最強的,但它的作用距離很短!傳遞強作用力的是膠子!

傳說中的水滴就是強作用力材料製成的表面,無限細膩,強度也許除了夸克星物質外就它了,但這只是停留在科幻小說中,希望我們未來也能製造出這種材料!


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