Виртуальная частица

Не путать с Античастицей .

Похожие статьи см. в разделе «Квантовый вакуум (значения)» .

Виртуальная частица — это теоретическая переходная частица , которая демонстрирует некоторые характеристики обычной частицы, но ее существование ограничено принципом неопределенности , который позволяет виртуальным частицам самопроизвольно возникать из вакуума в коротких временных и пространственных диапазонах. Понятие виртуальных частиц возникает в теории возмущений квантовой теории поля (КТП), где взаимодействия между обычными частицами описываются в терминах обмена виртуальными частицами. Процесс с участием виртуальных частиц можно описать схематическим представлением, известным как диаграмма Фейнмана , в которой виртуальные частицы представлены внутренними линиями.

Виртуальные частицы не обязательно имеют ту же массу , что и соответствующая обычная частица, хотя они всегда сохраняют энергию и импульс . Чем ближе ее характеристики к характеристикам обычных частиц, тем дольше существует виртуальная частица. Они важны в физике многих процессов, включая рассеяние частиц и силы Казимира . В квантовой теории поля силы, такие как электромагнитное отталкивание или притяжение между двумя зарядами, можно рассматривать как результат обмена виртуальными фотонами между зарядами. Виртуальные фотоны являются обменными частицами для электромагнитного взаимодействия .

Этот термин несколько расплывчат и нечетко определен, поскольку он относится к представлению о том, что мир состоит из «реальных частиц». «Реальные частицы» лучше понимать как возбуждения лежащих в их основе квантовых полей. Виртуальные частицы также являются возбуждениями основных полей, но они «временны» в том смысле, что они появляются в расчетах взаимодействий, но никогда как асимптотические состояния или индексы матрицы рассеяния . Точность и использование виртуальных частиц в расчетах твердо установлены, но, поскольку их невозможно обнаружить в экспериментах, решение о том, как их точно описать, является предметом споров. Хотя они широко используются, они ни в коем случае не являются необходимой особенностью КТП, а, скорее, являются математическим удобством, как демонстрирует теория решетчатого поля , которая вообще избегает использования этой концепции.

Характеристики

Понятие виртуальных частиц возникает в теории возмущений квантовой теории поля — аппроксимационной схеме, в которой взаимодействия (по сути, силы) между реальными частицами рассчитываются в терминах обменов виртуальными частицами. Такие расчеты часто выполняются с использованием схематических представлений, известных как диаграммы Фейнмана , в которых виртуальные частицы выглядят как внутренние линии. Выражая взаимодействие через обмен виртуальной частицы с четырехимпульсом q , где q определяется разностью четырехимпульсов частиц, входящих и выходящих из вершины взаимодействия, при взаимодействии сохраняются как импульс, так и энергия. вершины диаграммы Фейнмана.

Виртуальная частица не совсем точно подчиняется соотношению энергии и импульса m ² с ⁴ = Е ² − п ² с ² . Его кинетическая энергия может не иметь обычного отношения к скорости . Оно может быть отрицательным. Это выражается фразой Off Mass Shell . Амплитуда вероятности существования виртуальной частицы имеет тенденцию нивелироваться деструктивной интерференцией на больших расстояниях и во времени. Как следствие, реальный фотон безмассовый и, следовательно, имеет только два состояния поляризации, тогда как виртуальный, будучи фактически массивным, имеет три состояния поляризации.

Квантовое туннелирование можно рассматривать как проявление обмена виртуальными частицами. Диапазон сил, переносимых виртуальными частицами, ограничен принципом неопределенности, согласно которому энергия и время рассматриваются как сопряженные переменные; таким образом, виртуальные частицы большей массы имеют более ограниченный радиус действия.

В уравнениях физики, записанных в обычных математических обозначениях, нет и следа различия между виртуальными и реальными частицами. Амплитуды процессов с виртуальной частицей интерферируют с амплитудами процессов без нее, тогда как для реальной частицы случаи существования и несуществования перестают быть согласованными друг с другом и уже не мешают. С точки зрения квантовой теории поля реальные частицы рассматриваются как обнаруживаемые возбуждения лежащих в их основе квантовых полей. Виртуальные частицы также рассматриваются как возбуждения лежащих в их основе полей, но проявляются только как силы, а не как обнаруживаемые частицы. Они «временные» в том смысле, что появляются в некоторых расчетах, но не обнаруживаются как отдельные частицы. Таким образом, с математической точки зрения они никогда не появляются как индексы матрицы рассеяния , то есть они никогда не появляются как наблюдаемые входные и выходные данные моделируемого физического процесса.

Есть два основных способа появления понятия виртуальных частиц в современной физике. Они появляются как промежуточные члены в диаграммах Фейнмана ; то есть как члены пертурбативного расчета. Они также выглядят как бесконечный набор состояний, которые необходимо суммировать или интегрировать при расчете полунепертурбативного эффекта. В последнем случае иногда говорят, что виртуальные частицы вносят вклад в механизм, опосредующий эффект, или что эффект возникает через виртуальные частицы.

Проявления

Существует множество наблюдаемых физических явлений, возникающих при взаимодействиях с участием виртуальных частиц. Для бозонных частиц, которые обладают массой покоя , когда они свободны и актуальны, виртуальные взаимодействия характеризуются относительно коротким диапазоном силового взаимодействия, возникающего при обмене частицами. Заключение также может привести к короткому радиусу действия. Примерами таких короткодействующих взаимодействий являются сильное и слабое взаимодействия и связанные с ними полевые бозоны.

Что касается гравитационных и электромагнитных сил, нулевая масса покоя соответствующей бозонной частицы позволяет виртуальным частицам передавать дальнодействующие силы. Однако в случае фотонов передача мощности и информации виртуальными частицами представляет собой явление относительно короткого действия (существующее только в пределах нескольких длин волн возмущения поля, которое несет информацию или передаваемую мощность), как, например, наблюдается в характерном малая дальность индуктивного и емкостного воздействия в ближней зоне катушек и антенн.

Некоторые полевые взаимодействия, которые можно увидеть с точки зрения виртуальных частиц:

• Кулоновская сила (статическая электрическая сила) между электрическими зарядами. Это вызвано обменом виртуальными фотонами . В симметричном трехмерном пространстве этот обмен приводит к закону обратных квадратов для электрической силы. Поскольку фотон не имеет массы, кулоновский потенциал имеет бесконечный диапазон.
• Магнитное поле между магнитными диполями . Это вызвано обменом виртуальными фотонами . В симметричном трехмерном пространстве этот обмен приводит к закону обратных кубов для магнитной силы. Поскольку фотон не имеет массы, магнитный потенциал имеет бесконечный диапазон. Несмотря на то, что диапазон бесконечен, промежуток времени, допускаемый для существования виртуального фотона, не бесконечен.
• Электромагнитная индукция . Это явление передает энергию к магнитной катушке и обратно через изменяющееся (электро)магнитное поле.
• Сильное ядерное взаимодействие между кварками является результатом взаимодействия виртуальных глюонов . Остаток этой силы за пределами тройки кварков (нейтрона и протона) удерживает вместе нейтроны и протоны в ядрах и обусловлен виртуальными мезонами, такими как пи-мезон и ро-мезон .
• Слабое ядерное взаимодействие является результатом обмена виртуальными W- и Z-бозонами .
• Спонтанное излучение фотона ; при распаде возбужденного атома или возбужденного ядра такой распад запрещен обычной квантовой механикой и для его объяснения требует квантования электромагнитного поля.
• Эффект Казимира , при котором основное состояние квантованного электромагнитного поля вызывает притяжение между парой электрически нейтральных металлических пластин.
• Сила Ван-дер-Ваальса , которая частично обусловлена ​​эффектом Казимира между двумя атомами.
• Поляризация вакуума , которая включает в себя образование пар или распад вакуума , который представляет собой спонтанное образование пар частица-античастица (например, электрон-позитрон).
• Лэмбовский сдвиг положений атомных уровней.
• Импеданс свободного пространства , определяющий соотношение между напряженностью электрического поля | Е | и напряженность магнитного поля | Ч | : Z ₀ = | Е | / | Ч | .
• Большая часть так называемого ближнего поля радиоантенн, где магнитные и электрические эффекты изменяющегося тока в антенном проводе и зарядовые эффекты емкостного заряда провода могут вносить (и обычно вносят) важный вклад в общее электромагнитное поле. близко к источнику, но оба этих эффекта являются дипольными эффектами, которые затухают с увеличением расстояния от антенны гораздо быстрее, чем влияние «обычных» электромагнитных волн, находящихся «далеко» от источника. Эти волны в дальнем поле, для которых E (в пределе больших расстояний) равно cB , состоят из реальных фотонов. Реальные и виртуальные фотоны смешиваются возле антенны, причем виртуальные фотоны ответственны только за «лишние» магнитно-индуктивные и переходные электрическо-дипольные эффекты, которые вызывают любой дисбаланс между E и cB . По мере увеличения расстояния от антенны эффекты ближнего поля (например, дипольные поля) затухают быстрее, и важными эффектами остаются только «радиационные» эффекты, вызванные реальными фотонами. Хотя виртуальные эффекты простираются до бесконечности, они уменьшаются по напряженности поля как 1/ r ² а не поле электромагнитных волн, состоящее из реальных фотонов, которые падают как 1/ r .

Большинство из них имеют аналогичные эффекты в физике твердого тела ; действительно, часто можно получить лучшее интуитивное понимание, исследуя эти случаи. В полупроводниках роли электронов, позитронов и фотонов в теории поля заменяются электронами в зоне проводимости , дырками в валентной зоне и фононами или колебаниями кристаллической решетки. Виртуальная частица находится в виртуальном состоянии , в котором амплитуда вероятности не сохраняется. Примеры макроскопических виртуальных фононов, фотонов и электронов в случае туннельного процесса представил Гюнтер Нимц. и Альфонс А. Штальхофен.

Диаграммы Фейнмана

Диаграмма обменного рассеяния одной частицы

Расчет амплитуд рассеяния в теоретической физике элементарных частиц требует использования довольно больших и сложных интегралов по большому числу переменных. Однако эти интегралы имеют регулярную структуру и могут быть представлены в виде диаграмм Фейнмана . Диаграммы Фейнмана привлекательны, поскольку они позволяют просто визуально представить то, что в противном случае было бы довольно загадочной и абстрактной формулой. В частности, привлекательность состоит в том, что исходящие ветви диаграммы Фейнмана могут быть связаны с реальными частицами, находящимися на оболочке . Таким образом, естественно связать и другие линии диаграммы с частицами, называемыми «виртуальными частицами». С математической точки зрения они соответствуют пропагаторам, представленным на диаграмме.

На соседнем изображении сплошные линии соответствуют реальным частицам (импульсом p ₁ и т. д.), а пунктирная линия соответствует виртуальной частице, несущей импульс k . Например, если бы сплошные линии соответствовали электронам, взаимодействующим посредством электромагнитного взаимодействия , пунктирная линия соответствовала бы обмену виртуальным фотоном . В случае взаимодействующих нуклонов пунктирной линией был бы виртуальный пион . В случае кварков, взаимодействующих посредством сильного взаимодействия , пунктирная линия будет виртуальным глюоном и так далее.

Одноконтурная диаграмма с фермионным пропагатором

Виртуальные частицы могут быть мезонами или векторными бозонами , как в примере выше; они также могут быть фермионами . Однако, чтобы сохранить квантовые числа, большинство простых диаграмм, включающих обмен фермионов, запрещены. На изображении справа показана разрешенная диаграмма — одноконтурная . Сплошные линии соответствуют фермионному пропагатору, волнистые — бозонам.

Пылесосы

Основные статьи: Квантовые флуктуации , вакуум КЭД , вакуум КХД и состояние вакуума.

Формально частица считается собственным состоянием оператора числа частиц a. ^† a , где a частицы — оператор уничтожения , a ^† частицы оператор создания (иногда называемый лестничными операторами ). Во многих случаях оператор числа частиц не коммутирует с гамильтонианом системы. Это означает, что количество частиц в некоторой области пространства не является четко определенной величиной, но, как и другие квантовые наблюдаемые , представлено распределением вероятностей . Поскольку существование этих частиц не обязательно, их называют виртуальными частицами или вакуумными флуктуациями энергии вакуума . В определенном смысле их можно понимать как проявление принципа неопределенности времени-энергии в вакууме.

Важным примером «присутствия» виртуальных частиц в вакууме является эффект Казимира . Здесь объяснение эффекта требует, чтобы полную энергию всех виртуальных частиц в вакууме можно было сложить. Таким образом, хотя сами виртуальные частицы невозможно наблюдать непосредственно в лаборатории, они оставляют наблюдаемый эффект: их энергия нулевой точки приводит к появлению сил, действующих на соответствующим образом расположенные металлические пластины или диэлектрики . С другой стороны, эффект Казимира можно интерпретировать как релятивистскую силу Ван-дер-Ваальса .

Парное производство

Основная статья: Производство пар

Виртуальные частицы часто описываются как парные, частица и античастица , которые могут быть любого типа. Эти пары существуют чрезвычайно короткое время, а затем взаимно аннигилируют, или в некоторых случаях пару можно разогнать с помощью внешней энергии, чтобы они избежали аннигиляции и стали настоящими частицами, как описано ниже.

Это может произойти одним из двух способов. В ускоряющейся системе отсчета виртуальные частицы могут показаться ускоряющемуся наблюдателю реальными; это известно как эффект Унру . Короче говоря, вакуум стационарной системы кажется ускоренному наблюдателю теплым газом, состоящим из реальных частиц, находящихся в термодинамическом равновесии .

Другой пример — рождение пар в очень сильных электрических полях, иногда называемое вакуумным распадом . Если, например, пара атомных ядер сливаются, чтобы на очень короткое время образовать ядро ​​с зарядом, превышающим примерно 140 (то есть больше, чем примерно обратная константе тонкой структуры , которая является безразмерной величиной ), напряженность электрического поля будет такой, что это будет энергетически выгодно создавать пары позитрон-электрон из вакуума или моря Дирака , при этом электрон притягивается к ядру и аннигилирует положительный заряд. Эта амплитуда образования пар была впервые рассчитана Джулианом Швингером в 1951 году.

По сравнению с реальными частицами

Вследствие квантовомеханической неопределенности любой объект или процесс, существующий в течение ограниченного времени или в ограниченном объеме, не может иметь точно определенную энергию или импульс. По этой причине виртуальные частицы, которые существуют лишь временно, поскольку они обмениваются между собой обычными частицами, обычно не подчиняются соотношению масса-оболочка ; чем дольше существует виртуальная частица, тем больше энергия и импульс приближаются к соотношению масса-оболочка.

Время жизни реальных частиц обычно значительно больше, чем время жизни виртуальных частиц. Электромагнитное излучение состоит из реальных фотонов, которые могут путешествовать световые годы между излучателем и поглотителем, но (кулоновское) электростатическое притяжение и отталкивание имеют относительно короткое расстояние. сила, являющаяся следствием обмена виртуальными фотонами .

См. также

• Аномальный фотоэлектрический эффект
• Силовой носитель
• Квазичастица
• Статические силы и обмен виртуальными частицами
• Вселенная с нулевой энергией
• Вакуумные колебания Раби
• Сколько пены
• Виртуальная черная дыра
• Добавлена ​​масса

Внешние ссылки

• Действительно ли виртуальные частицы постоянно появляются и исчезают?   – Гордон Кейн, директор Мичиганского центра теоретической физики Мичиганского университета в Анн-Арборе, предлагает ответ на сайте Scientific American .
• Виртуальные частицы: что это такое?
• Д. Кайзер (2005) Американский учёный 93 стр. 156 популярных статей