Vad är virtuella fotoner?

Svar av Jonas Larson, forskare i teoretisk kvantfysik, Stockholms universitet

När två magneter attraherar eller repellerar varandra beror det på den elektromagnetiska kraften, som enligt fysikens teorier verkar genom utbyte av partiklar som kallas fotoner. Men denna växelverkan sker inte med vanliga fotoner, utan så kallade virtuella fotoner, precis som frågeställaren upptäckt.

Här behöver vi alltså skilja på två typer av fotoner. De fotoner vi vanligtvis tänker på, som till exempel ljuset vi ser med våra ögon eller registrerar med en detektor, skulle kunna kallas riktiga, synliga fotoner – de kan upptäckas och mätas. När vi till exempel tänder en lampa är det sådana fotoner som når våra ögon. Notera att ”synliga” här inte nödvändigtvis behöver betyda synliga för det mänskliga ögat – radio- och röntgenvågor ligger till exempel utanför vårt synliga spektrum, men består ändå av verkliga fotoner.

När vi i stället pratar om krafter mellan objekt, som magneter, handlar det alltså om virtuella fotoner. Dessa kan inte upptäckas på samma sätt som ljusfotoner. De bär inte med sig detekterbart ljus, men de möjliggör kraften mellan magneterna. Man kan säga att de fungerar som ”budbärare” för den elektromagnetiska kraften.

Det kan tyckas märkligt att fysiken talar om virtuella partiklar som inte kan detekteras, men de är en konsekvens av kvantmekaniken, den moderna teorin som beskriver hur partiklar och krafter fungerar på mycket små skalor. Där uppstår de virtuella fotonerna i vår matematiska beskrivning av hur kraften överförs. Om de är verkliga eller inte kan debatteras – svaret beror i slutänden på hur man definierar verklighet.

I många sammanhang behöver fysiken inte bekymra sig om virtuella fotoner eller andra kraftpartiklar. Maxwells ekvationer, som frågeställaren nämner, är en äldre beskrivning av elektromagnetism som fortfarande är mycket användbar på makroskopisk nivå. Med den kan vi se hur elektriska och magnetiska fält påverkar objekt, utan att behöva tänka på fotoner eller kvantpartiklar. Men när vi vill beskriva samma processer i mycket liten skala – där kvantmekaniska effekter blir viktiga – måste vi använda en annan teori: kvantelektrodynamiken. Då kommer kraftpartiklar, som fotoner, in i bilden.

För att sammanfatta: När du håller två magneter nära varandra utbyter de inte ljusfotoner, men däremot dessa virtuella fotoner, som förmedlar den magnetiska kraften. Vi kan inte direkt detektera dessa, men de har icke desto mindre en central roll i kvantmekanikens beskrivning av den elektromagnetiska kraften.