Виртуальная частица — это теоретическая переходная частица , которая демонстрирует некоторые характеристики обычной частицы, но ее существование ограничено принципом неопределенности , который позволяет виртуальным частицам спонтанно возникать из вакуума в коротких временных и пространственных диапазонах. [1] 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. [2] [3]
Виртуальные частицы не обязательно имеют ту же массу , что и соответствующая реальная 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 обменной частицей 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 нельзя обнаружить в экспериментах, решение о том, как их точно описать, является предметом споров. [4] 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.
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. [5] : 119
Виртуальная частица не совсем точно подчиняется соотношению энергия-импульс m 2 c 4 = E 2 - p 2 c 2 . Его кинетическая энергия может не иметь обычного отношения к скорости . Оно может быть отрицательным. [6] : 110 Это выражается фразой Off Mass Shell . [5] : 119 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. [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 радиус действия. [8]
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. [5] : 118
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 энергии 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:
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 были представлены Гюнтером Нимцем [10] и Альфонсом А. Штальхофеном. [11]
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.
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 фермионный обмен, запрещены. На изображении справа показана разрешенная диаграмма — одноконтурная . Сплошные линии соответствуют фермионному пропагатору, волнистые — бозонам.
Формально частица считается собственным состоянием оператора числа частиц a † a , где a — оператор уничтожения частицы , а a † — оператор рождения частицы (иногда все вместе называемые 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. [12]
Важным примером «присутствия» виртуальных частиц в вакууме является эффект Казимира . [13] Здесь объяснение эффекта требует, чтобы полную энергию всех виртуальных частиц в вакууме можно было сложить вместе. 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 . [14] С другой стороны, эффект Казимира можно интерпретировать как релятивистскую силу Ван-дер-Ваальса . [15]
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 казаться реальными ускоряющемуся наблюдателю; 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 константа тонкой структуры , которая является безразмерной величиной ), то Сила электрического поля будет такой, что будет энергетически выгодно [ необходимо дальнейшее объяснение ] создавать пары позитрон-электрон из вакуума или моря Дирака , при этом электрон притягивается к ядру для аннигиляции положительного заряда. Эта амплитуда образования пар была впервые рассчитана Джулианом Швингером в 1951 году.
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 световыми годами между эмиттером и поглотителем, но (кулоновское) электростатическое притяжение и отталкивание — это сила относительно короткого действия [ сомнительно ] , которая является следствием обмена виртуальными фотонами [ нужна цитата] ] .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )