Виртуальная частица — это теоретическая переходная частица , которая проявляет некоторые характеристики обычной частицы, при этом ее существование ограничено принципом неопределенности , который позволяет виртуальным частицам спонтанно возникать из вакуума на коротких временных и пространственных расстояниях. [1] Концепция виртуальных частиц возникает в теории возмущений квантовой теории поля (КТП), где взаимодействия между обычными частицами описываются в терминах обмена виртуальными частицами. Процесс, включающий виртуальные частицы, можно описать схематическим представлением, известным как диаграмма Фейнмана , в которой виртуальные частицы представлены внутренними линиями. [2] [3]
Виртуальные частицы не обязательно несут 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 .
Термин несколько свободен и неопределен, поскольку он относится к представлению о том, что мир состоит из «реальных частиц». «Реальные частицы» лучше понимать как возбуждения базовых квантовых полей. Виртуальные частицы также являются возбуждениями базовых полей, но являются «временными» 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 нельзя обнаружить в экспериментах, решение о том, как точно их описать, является темой для дискуссий. [4] Несмотря на широкое использование, они никоим образом не являются необходимой особенностью КТП, а скорее математическими удобствами — как демонстрирует теория решеточного поля , которая вообще избегает использования этой концепции.
Концепция виртуальных частиц возникает в теории возмущений квантовой теории поля , аппроксимационной схеме, в которой взаимодействия (по сути, силы) между реальными частицами рассчитываются в терминах обмена виртуальными частицами. Такие вычисления часто выполняются с использованием схематических представлений, известных как диаграммы Фейнмана , в которых виртуальные частицы появляются как внутренние линии. Выражая взаимодействие в терминах обмена виртуальной частицы с четырехимпульсом q , где q задается разностью между четырехимпульсами частиц, входящих и выходящих из вершины взаимодействия, как импульс, так и энергия сохраняются в вершинах взаимодействия диаграммы Фейнмана. [5] : 119
Виртуальная частица не подчиняется точно соотношению энергии и импульса m 2 c 4 = E 2 − p 2 c 2 . Ее кинетическая энергия может не иметь обычного соотношения со скоростью . Она может быть отрицательной. [6] : 110 Это выражается фразой off mass shell . [5] : 119 Амплитуда вероятности существования виртуальной частицы имеет тенденцию к нейтрализации деструктивной интерференции на больших расстояниях и временах. Как следствие, реальный фотон безмассов и, таким образом, имеет только два состояния поляризации, тогда как виртуальный, будучи эффективно массивным, имеет три состояния поляризации.
Квантовое туннелирование можно считать проявлением обмена виртуальными частицами. [7] : 235 Диапазон сил, переносимых виртуальными частицами, ограничен принципом неопределенности, который рассматривает энергию и время как сопряженные переменные; таким образом, виртуальные частицы большей массы имеют более ограниченный диапазон. [8]
Записанные в обычных математических обозначениях, в уравнениях физики нет никаких признаков 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 когерентными друг с другом и больше не интерферируют. С точки зрения квантовой теории поля реальные частицы рассматриваются как детектируемые возбуждения базовых квантовых полей. Виртуальные частицы также рассматриваются как возбуждения базовых полей, но проявляются только как силы, а не как детектируемые частицы. Они являются «временными» в том смысле, что они появляются в некоторых вычислениях, но не обнаруживаются как отдельные частицы. Таким образом, в математических терминах они никогда не появляются как индексы матрицы рассеяния , то есть они никогда не появляются как наблюдаемые входы и выходы моделируемого физического процесса.
Существует два основных способа, которыми понятие виртуальных частиц появляется в современной физике. Они появляются как промежуточные члены в диаграммах Фейнмана ; то есть как члены в пертурбативном расчете. Они также появляются как бесконечный набор состояний, которые должны быть суммированы или интегрированы при расчете полунепертурбативного эффекта. В последнем случае иногда говорят, что виртуальные частицы вносят вклад в механизм, который опосредует эффект, или что эффект происходит через виртуальные частицы. [5] : 118
Существует множество наблюдаемых физических явлений, возникающих при взаимодействиях с участием виртуальных частиц. Для бозонных частиц, которые проявляют массу покоя , когда они свободны и актуальны, виртуальные взаимодействия характеризуются относительно коротким радиусом действия силового взаимодействия, создаваемого обменом частицами. Ограничение также может привести к короткому радиусу действия. Примерами таких короткодействующих взаимодействий являются сильные и слабые силы, а также связанные с ними полевые бозоны.
Для гравитационных и электромагнитных сил нулевая масса покоя связанной бозонной частицы позволяет дальнодействующим силам быть опосредованными виртуальными частицами. Однако в случае фотонов передача мощности и информации виртуальными частицами является относительно короткодействующим явлением (существующим только в пределах нескольких длин волн возмущения поля, которое переносит информацию или передаваемую мощность), как, например, видно в характерно короткодействующем индуктивном и емкостном эффекте в ближней зоне поля катушек и антенн.
Вот некоторые взаимодействия полей, которые можно рассматривать с точки зрения виртуальных частиц:
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 , где амплитуда вероятности не сохраняется. Примеры макроскопических виртуальных фононов, фотонов и электронов в случае процесса туннелирования были представлены Гюнтером Нимцем [10] и Альфонсом А. Штальхофеном. [11]
Расчет амплитуд рассеяния в теоретической физике элементарных частиц требует использования некоторых довольно больших и сложных интегралов по большому числу переменных. Однако эти интегралы имеют регулярную структуру и могут быть представлены в виде диаграмм Фейнмана . Привлекательность диаграмм Фейнмана сильна, поскольку она позволяет просто визуально представить то, что в противном случае было бы довольно загадочной и абстрактной формулой. В частности, часть привлекательности заключается в том, что исходящие ветви диаграммы Фейнмана могут быть связаны с реальными частицами на оболочке . Таким образом, естественно связать другие линии на диаграмме также с частицами, называемыми «виртуальными частицами». В математических терминах они соответствуют пропагаторам, появляющимся на диаграмме.
На соседнем изображении сплошные линии соответствуют реальным частицам (импульса p 1 и т. д.), тогда как 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 пунктирная линия была бы виртуальным пионом . В случае кварков, взаимодействующих посредством сильного взаимодействия , пунктирная линия была бы виртуальным глюоном и т. д.
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 фермионами, запрещены. Изображение справа показывает разрешенную диаграмму, однопетлевую диаграмму . Сплошные линии соответствуют фермионному пропагатору, волнистые линии — бозонам.
Формально частица считается собственным состоянием оператора числа частиц a † a , где a — оператор уничтожения частиц , а a † — оператор рождения частиц (иногда их вместе называют лестничными операторами ). Во многих случаях оператор числа частиц не коммутирует с гамильтонианом для системы. Это означает, что число частиц в области пространства не является четко определенной величиной, а, как и другие квантовые наблюдаемые , представлено распределением вероятностей . Поскольку эти частицы не обязательно существуют, их называют виртуальными частицами или вакуумными флуктуациями вакуумной энергии . В определенном смысле их можно понимать как проявление принципа неопределенности времени-энергии в вакууме. [12]
Важным примером «присутствия» виртуальных частиц в вакууме является эффект Казимира . [13] Здесь объяснение эффекта требует, чтобы общая энергия всех виртуальных частиц в вакууме могла быть сложена. Таким образом, хотя сами виртуальные частицы не наблюдаются непосредственно в лаборатории, они оставляют наблюдаемый эффект: их нулевая энергия приводит к силам, действующим на соответствующим образом расположенные металлические пластины или диэлектрики . [14] С другой стороны, эффект Казимира можно интерпретировать как релятивистскую силу Ван-дер-Ваальса . [15]
Виртуальные частицы часто описываются как пары, частица и античастица , которые могут быть любого вида. Эти пары существуют в течение чрезвычайно короткого времени, а затем взаимно аннигилируют, или в некоторых случаях пара может быть разнесена с помощью внешней энергии, так что они избегают аннигиляции и становятся реальными частицами, как описано ниже.
Это может произойти одним из двух способов. В ускоряющейся системе отсчета виртуальные частицы могут казаться ускоряющемуся наблюдателю реальными; это известно как эффект Унру . Короче говоря, вакуум неподвижной системы отсчета кажется ускоряющемуся наблюдателю теплым газом реальных частиц в термодинамическом равновесии .
Другим примером является рождение пар в очень сильных электрических полях, иногда называемое вакуумным распадом . Если, например, пара атомных ядер сливается, чтобы очень быстро сформировать ядро с зарядом больше, чем примерно 140 (то есть больше, чем примерно обратная величина постоянной тонкой структуры , которая является безразмерной величиной ), сила электрического поля будет такова, что будет энергетически выгодно [ необходимо дальнейшее объяснение ] создавать пары позитрон-электрон из вакуума или моря Дирака , при этом электрон притягивается к ядру, чтобы уничтожить положительный заряд. Эта амплитуда рождения пар была впервые рассчитана Джулианом Швингером в 1951 году.
Вследствие квантово-механической неопределенности любой объект или процесс, существующий ограниченное время или в ограниченном объеме, не может иметь точно определенную энергию или импульс. По этой причине виртуальные частицы, которые существуют только временно, поскольку они обмениваются между обычными частицами, обычно не подчиняются соотношению масса-оболочка ; чем дольше существует виртуальная частица, тем больше энергия и импульс приближаются к соотношению масса-оболочка.
Продолжительность жизни реальных частиц обычно значительно больше продолжительности жизни виртуальных частиц. Электромагнитное излучение состоит из реальных фотонов, которые могут путешествовать световые годы между излучателем и поглотителем, но (кулоновское) электростатическое притяжение и отталкивание — это относительно короткодействующая [ сомнительная — обсудите ] сила, которая является следствием обмена виртуальными фотонами [ требуется ссылка ] .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )