La domanda fa riferimento alla descrizione delle interazioni elettrostratiche data dalla QED, la teoria che descrive l’elettromagnetismo in ambito quantistico-relativistico. In tale descrizione tutti gli oggetti carichi sono circondati da una "nuvola" di fotoni virtuali (perché non possono essere rilevati direttamente, a causa del Principio di Indeterminazione) che vengono continuamente emessi e riassorbiti dopo poco tempo. Tale "nuvola" è quella che poi, a livello macroscopico, forma ciò che chiamiamo campo elettrico della carica.
Se consideriamo il processo di interazione tra due cariche dello stesso segno che si scambiano un fotone virtuale (una carica lo emette, l’altra lo assorbe), vedremo che questo processo produce un allontanamento delle due cariche, perché la carica che emette il fotone si muoverà nella direzione opposta rispetto al fotone emesso mentre la carica che lo assorbe si muoverà nella stessa direzione. Tale descrizione quindi riproduce il fenomeno della repulsione tra cariche dello stesso segno.
Se consideriamo l’interazione tra due cariche di segno opposto sembra, però, che le cose non tornino, infatti lo scambio di una particella intermedia non sembra poter produrre un effetto di attrazione, dato che quando due particelle si separano lo fanno sempre con verso opposto.
In realtà, rimanendo nell’immagine divulgativa esposta prima, si può immaginare un processo che permette comunque l’attrazione. Prima abbiamo detto che i fotoni virtuali emessi da una carica vengono poco dopo riassorbiti, in generale dalla stessa carica che li ha emessi. Questo significa che, in questa immagine divulgativa, in qualche modo i fotoni virtuali dopo un po’ tornano indietro. Se quindi immaginiamo che la seconda carica viene urtata dal fotone mentre torna indietro, questa dovrà essere necessariamente spinta verso la carica emettente, producendo quindi un’attrazione.
Naturalmente questo discorso è molto poco rigoroso perché le immagini a cui facciamo riferimento sono molto approssimate e molto poco corrette in ambito quantistico (anche se hanno un loro piccolo valore di verità e di descrizione intuitiva).
In realtà la cosa va considerata con una precisione maggiore di quanto fatto prima. Il fenomeno dello scambio di fotoni virtuali va trattato nell’ambito della Meccanica Quantistica descritta mediante i diagrammi di Feynmann. Queso formalismo, in soldoni, dice che per poter calcolare la probabilità di un certo processo bisogna prima immaginare tutti i possibili modi con cui questo processo può avvenire, calcolare le ampiezze di probabilità di ciascun modo e poi sommare tutte queste ampiezze. Di seguito ci sono tre diagrammi di Feynmann tutti corrispondenti ad un processo di repulsione tra due elettroni.
Inoltre va considerato che i fotoni virtuali, in questo ambito, non rispettano le usuali leggi relative ad energia e quantità di moto, per cui può accadere che un fotone venga emesso in modo da "trascinare" lungo il proprio verso del moto la particella emettente e successivamente far muovere nel verso opposto al proprio moto la particella assorbente. Questo processo produrrebbe quindi attrazione. Di seguito è rappresentato un diagramma di Feynmann relativo a questo processo.
Come fanno le cariche a sapere quando devono emettere fotoni che producono repulsione e quando emettere fotoni che producono attrazione? In realtà non lo sanno. In ogni momento essi emettono fotoni virtuali di ogni tipo. In linea di principio potrebbe anche accadere che in qualche circostanza due cariche dello stesso segno si attraggano e due di segno opposto si respingano.
Ma se andiamo a calcolare la probabilità totale (mediante le somme dette prima) tra due cariche di segno uguale si scopre che le ampiezze di probabilità dei modi che produrrebbero attrazione praticamente si cancellano tra loro, per cui la probabilità che questo avvenga è praticamente nulla, mentre la probabilità di repulsione è praticamente 1. Vicersa nell’analizzare due cariche di segno opposto si scopre che le ampiezze di probabilità dei modi che produrrebbero repulsione si cancellano tra loro, dando luogo ad una probabilità di repulsione praticamente nulla mentre la probabilità di attrazione è praticamente1.