of a virtual photon being emitted by one electron and ab-
sorbed by another electron
The closer the electrons come to each other, the more this
phenomenon occurs Of course, the process is two-way with
both electrons absorbing virtual photons that were emitted by
the other
This is how electrons repel each other The closer two
electrons come, the more virtual photons they exchange The
more virtual photons they exchange, the more sharply their
paths are deflected The "repulsive force' between them is
simply the cumulative effect of these exchanges of virtual
photons, the number of which increases at close range and
decreases at a distance According to this theory, there is no
such thing as action-at-a-distance—only more and fewer
exchanges of virtual photons These interactions (absorptions
and emissions) happen on location, so to speak, right there
where the particles involved are located *
The mutual repulsion of two particles of the same charge,
like two electrons, is an example of an electromagnetic force
In fact, according to quantum field theory, an electromagnetic
force ts the mutual exchange of virtual photons (Physicists
like to say that the electromagnetic force is mediated" by
photons) Every electrically charged particle continually emits
* However the essence of
meeh lines stems to demand a nondynamic
action at a distance operating
A good example of this is the
Pauh exclusion principle which indicates a correlation between the motions oi
two electrons over and above the exchange  virtual signal photons (Other
examples—EPR and Bells theorem—are discussed in a later chapter)
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and re absorbs virtual photons and/or exchanges them with
other charged particles When two electrons (two negative
charges) exchange virtual photons they repulse each other
The same thing happens when two protons (two positive
charges) exchange virtual photons When a proton and an
electron (a positive charge and a negative charge) exchange
virtual photons they attract each other
Therefore since the development of quantum field theory,
physicists generally have substituted the word interaction
for the word force (An interaction is when anything influ-
ences anything else) In this context—a mutual exchange of
virtual photons—it is a more precise term than force which
labels that which happens between electrons but does not say
anything about it That part of quantum field theory (Dirac s
original part) which deals with electrons, photons, and positrons
is called quantum electrodynamics
Virtual photons even if they were charged particles would
not be visible in a bubble chamber because of their extremely
short lives Their existence is inferred mathematicallv There-
fore, this extraordinary theory that particles exert a force on
each other by exchanging other particles clearly is a free
creation of the human mind (page 8) It is not necessarily
how nature really is it is only a mental construction which
correctlv predicts what nature probably is going to do next
There might be and probably are other mental constructs
that can do as good a job as this one or better (although
phvsicists have not been able to think of them) The most that
we can say about this or any other theory is not whether it is
true or not but only whether it works or not that is whether
it does what it is supposed to do
Quantum theory is supposed to predict the probabilities of
given subatomic phenomena to occur under certain circum-
stances Even though quantum field theory as a whole is not
totally consistent the pragmatic reality is that it works There
is a Fevnman diagram for
interaction and every Feynman
diagram corresponds to a mathematical formula which precisely
predicts the probability of the diagramed interaction to
happen *
In 1935, Hideki Yukawa, a graduate student in physics,
* In (act there usually is an infinite series ot Fevnman diagrams for every
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decided to apply the new virtual particle theory to the strong
The strong force is the force that keeps atomic nuclei to-
gether It has to be strong because the protons which along
with the neutrons make up the nucleus of an atom naturally
repel each other Being particles of like sign (positive) protons
want to be as far away from each other as they can get This is
because of the electromagnetic force between them Howev
er within the nucleus of an atom these mutually repulsive
protons not only are kept in close proximity, but they also are
bound together very tightly Whatever is binding these protons
together into a nucleus physicists reasoned must be a very
strong force compared to the electromagnetic force, which
works against it Therefore they decided to call the strong
force, naturally, the strong force
The strong force is well named because it is one hundred
times stronger than the electromagnetic force It is the strongest
force known in nature Like the electromagnetic force it is a
fundamental glue Ihe electromagnetic force holds atoms to
gether externally (with each other to form molecules) and
internally (it binds electrons to their orbits around atomic
nuclei) The strong force holds the nucleus itself together
The strong force is somewhat musclebound so to speak
Although it is the strongest force known in nature it also has
the shortest range of all the forces known in nature For
example, as a proton approaches the nucleus of an atom it
begins to experience the repulsive electromagnetic force be-
tween itself and the protons within the nucleus The closer
the free proton gets to the protons in the nucleus the stronger
the repulsive electromagnetic force between them becomes
(At one third the original distance, for example, the force is
nine times as strong) This force causes a deflection in the
path of the free proton The deflection is a gentle one if the
proton is distant from the nucleus and very pronounced if the
proton should come close to the nucleus
However, if we push the free proton to within about one
ten-tnlhonth (10
) of a centimeter of the nucleus it
is sucked into the nucleus with a force one hundred times
more powerful than the repulsive electromagnetic force One
ten-tnlhonth of a centimeter is about the si/e of the proton
itself In other words, the proton is relatively unaffected by
the strong force, even at a distance only slightly greater than
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its own magnitude Closer than that, however, and it is com-
pletely overpowered by the strong force
Yukawa decided to explain this powerful but very short-
range strong force in terms of virtual particles
The strong force
Yukawa, is mediated by virtual
particles like the electromagnetic force is mediated ' by virtual
photons According to Yukawa s theory, just as the electro-
magnetic force is the exchange of virtual photons, the strong
force is the exchange of another type of virtual particle J ist
as electrons never sit idle, but constantly emit and re-absorb
virtual photons, so nucleons are not inert, but constantly emit
and re-absorb their own type of virtual particles
A nucleon is a proton or a neutron Both of these particles
are called nucleons since both of them are found in the nuclei
of atoms They are so similar to each other that a proton,
roughly speaking can be considered as a neutron with a positive
Yukawa knew the range of the strong force from the results
of published experiments Assuming that the limited range of
the strong force was identical to the limited range of a virtual
particle emitted from a nucleon in the nucleus, he calculated
how much time such a virtual particle would require at close
to the speed of light to go that distance and return to the
nucleon This time calculation allowed him to use the un-
certainty relation between time and energy to calculate the
energy (mass) of his hypothetical particle
Twelve years and one case of mistaken identity later, physi-
cists discovered Yukawa s hypothetical particle * They called
it a meson An entire family of mesons it later was discovered,
are the particles which nucleons exchange to constitute the
strong force The particular meson which physicists discovered
first, they called a pion Pion is short for pi (pronounced
"pie ) meson Pions come in three varieties positive, nega-
tive, and neutral
In other words, a proton, like an electron, is a beehive of
activity Not only does it continually emit and re-absorb virtual
photons, which makes it susceptible to the electromagnetic
force, it also emits and re-absorbs virtual pions, which makes
it susceptible to the strong force as well (Particles which do
* \V hen the muon was discovered in 1936 it looked like Yukawa s predicted
particle Gradually
it became evident that the muon s properties
were not those of tht particle in Yukawa  theory Another eleven years passed
before Yukawa s theory was confirmed
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not emit virtual mesons, like electrons., for example, are not
affected at all by the strong force)
When an electron emits a virtual photon which is absorbed
by another particle, the electron is said to be interacting
with the other particle However, when an electron emits a
virtual photon and then re-absorbs it, the electron is said to
be interacting with itself Self-interaction makes the world of
subatomic particles a kaleidoscopic reality whose very constit-
uents are themselves unceasing processes of transformation
Protons, like electrons, can interact with themselves in more
ways than one The simplest proton self-interaction is the
emission and re-absorption, within the time permitted by the
uncertainty principle, of a virtual pion This interaction is
analogous to an electron emitting and re-absorbing a virtual
photon First there is a proton, then there is a proton and a
neutral pion, then there is a proton again Below is a Fevnman
diagram of a proton emitting and re-absorbing a virtual netural
Because all protons are identical, we can assume that the
original proton suddenly ceases to exist and that, at the same
point in space and time, another proton and a neutral pion
just as abruptly come into existence The new proton and the
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neutral pion constitute a violation of the conservation law of
mass-energy since their mass together is greater than the mass
of the original proton Something (the neutral pion) literally
has been created out of nothing and quickly disappears again
(making this a virtual process) The life-span of the new parti-
cles is limited to the time calculated via the Heisenberg
uncertamtv principle They quickly merge, annihilating each
other, and create another proton One blink of an eye,
figuratively speaking, and the whole thing is over
There is another way in which a proton can interact with
itself In addition to  mitting and re-absorbing a neutral pion,
a proton can emit a positive pion However, bv emitting a
positive pion, the proton
tansforms itself into a
neutron' First there is a proton, then there is a neutron (which
by itself has more mass than the original proton) plus a positive
pion, then there is a proton again In other words, one of the
dances that a proton does continually changes it into a neutron
and back into a proton again Below is a Feynman diagram of
this dance
Every nucleon is surrounded by a cloud of virtual pions,
which it constantly emits and re-absorbs If a proton comes
close enough to a neutron so that their virtual-pion clouds
overlap, some of the virtual pions emitted by the proton are ab-
sorbed by the neutron On the next page is a Feynman diagram
of a virtual-pion exchange between a proton and a neutron
In the left half of the diagram, a proton emits a positively
charged pion, momentarily transforming itself into a neutron
Before the pion can be re-absorbed,
it is captured
by a nearby neutron This pion capture causes the neutron to
transform itself into a proton The exchange of the positive
pion causes the proton to become a neutron and the neutron
to become a proton The two original nucleons, now bound
together by this exchange, have changed roles
This is the basic Yukawa interaction The strong force, as
Yukawa theorized in 1935, is the multiple exchange of virtual
pions between nucleons The number of the exchanges (the
strength of the force) increases at close range and decreases at
a distance
In a similar manner, neutrons never sit still and just be
neutrons Like protons and electrons thev also constantly in-
teract with themselves by emitting and re-absorbing virtual
particles Like protons, neutrons emit and re-absorb neutral
pions On the top of the next page is a Fevnman diagram of a
neutron emitting and re-absorbing a neutral pion
In addition to emitting a neutral pion, a neutron also can
emit a negative pion However, when a neutron emits a nega-
tive pion, it momentarily transforms itself into a proton' First
there is neutron, then there is a proton plus a negative pion,
then there is a neutron again Below is a Feynman diagram of
this dance with continually changes a neutron into a proton
and back into a neutron again
If a neutron comes so close to a proton that their virtual-
pion clouds overlap some of the pions that are emitted by the
neutron are absorbed bv the proton Below is a Feynman
diagram of a virtual-pion exchange between a neutron and a
This is another strong-force interaction In the left half of
the diagram, a neutron emits a negative pion, temporarily
transforming itself into a proton However, before the nega-
tive pion can be re-absorbed, it is captured bv a nearby proton
which, in turn, becomes a neutron The exchange of a nega-
tive pion causes a neutron to become a proton and a proton to
become a neutron As before, a pair of nucleons, bound to-
gether by a virtual-pion exchange, have changed roles
There are manv more strong-force interactions Although
pions are the particles most often exchanged in the cieation of
the strong force the other mesons (such as kaons, eta parti-
cles, etc ) are exchanged as well There is no "strong force
there are only a varying number of virtual-particle exchanges
between nucleons
The universe, according to physicists, is held together by
four fundamental types of glue In addition to the strong force
and the electromagnetic force, there is the "weak force and
the gravitational force *
* Recent evidence gi\es giowmg credence to the Wembeig Salam theory that
electromagnetic and weak forces arc actually different manifestations of the
same force operating at dlffei ent distances between particles
Gravity is the long-range force which holds together solar
systems, galaxies, and universes However, on the subatomic
level its effect is so negligible that it is ignored altogether
Future theories, hopefully, will be able to take it into ac-
count t
The weak force is the least known of the four forces Its
existence was inferred from the times required by certain
subatomic interactions The strong force is so short-range and
powerful that strong-force interactions happen very, verv fast,
in about 00000000000000000000001
seconds Howev-
er, physicists discovered that a certain other t>pe of particle
interaction which they knew involved neither the electro-
magnetic nor the gravitational forces, required a much longer
time, about 0000000001 (10 "') seconds Thev therefore de-
duced from this strange phenomenon that there must exist a
fourth type of force Since this new fourth force was known to
be weaker than the electromagnetic force, it was called the
weak force
In the order of their strength, the four forces are
Strong (nuclear) forte
Electromagnetic force
Weak force
Since the strong force and the electromagnetic force can be
explained in terms of virtual particles, physicists assume that
the same is true of the weak force and gravitv The particle
associated with gravity is the graviton, whose properties have
bet n theon/ed, but whose existence never has been confirmed
The particle associated with the weak force is the "W" parti-
cle, about which much has been theon/ed, but not much has
been discovered
The range of the strong force, relative to the electromagnetic
force, is limited because mesons, relative to photons, have so
much mass Remember that the policeman who enforces the
conservation law of mass-energy is willing to turn his back if
the violation is quick enough, but the more flagrant the
violation, the more quickly it must happen The momentary
creation of a meson out of nothing is a much more flagrant
t E g supergravirv theories that me both spin 2 and spin 3/2  irtual exchange
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