В квантовой теории поля , силы носителей или частиц мессенджеров или промежуточных частиц являются частицы , которые приводят к силам между другими частицами. Эти частицы представляют собой сгустки энергии (кванты) определенного вида поля . Для каждого типа элементарной частицы существует один вид поля. Например, есть электромагнитное поле, квантами которого являются фотоны. [1] Эта концепция особенно важна в физике элементарных частиц, где частицы-носители силы, которые обеспечивают электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, называются калибровочными бозонами .
Точки обзора частиц и поля
Квантовые теории поля описывают природу в терминах полей . Каждое поле имеет дополнительное описание как набор частиц определенного типа. Силы между двумя частицами может быть описано либо как действием силового поля , генерируемого одной частицы на другой, или с точки зрения обмена виртуальных частиц носителя силы между ними.
Энергия волны в поле (например, электромагнитных волн в электромагнитном поле ) квантуется, и квантовые возбуждения поля можно интерпретировать как частицы. Стандартная модель содержит следующие частицы, каждая из которых является возбуждение конкретного поля:
- Глюоны , возбуждения сильного калибровочного поля .
- Фотоны , W-бозоны и Z-бозоны , возбуждения электрослабых калибровочных полей.
- Бозоны Хиггса , возбуждения одной компоненты поля Хиггса , которое придает массу элементарным частицам.
Кроме того, такие составные частицы, как мезоны , а также квазичастицы можно описать как возбуждения эффективного поля .
Гравитация не является частью Стандартной модели, но считается, что могут существовать частицы, называемые гравитонами, которые являются возбуждением гравитационных волн . Статус этой частицы все еще является предварительным, потому что теория неполна, а взаимодействие отдельных гравитонов может быть слишком слабым, чтобы его можно было обнаружить. [2]
Силы с точки зрения частиц
Когда одна частица разлетается от другой, изменяя свою траекторию, есть два способа представить себе этот процесс. На картинке поля мы представляем, что поле, создаваемое одной частицей, вызывает силу с другой. В качестве альтернативы, мы можем представить, как одна частица испускает виртуальную частицу, которая поглощается другой. Виртуальная частица передает импульс от одной частицы к другой. Эта точка зрения на частицы особенно полезна, когда есть большое количество сложных квантовых поправок к расчету, поскольку эти поправки могут быть визуализированы как диаграммы Фейнмана, содержащие дополнительные виртуальные частицы.
Другой пример, связанный с виртуальными частицами, - это бета-распад, когда виртуальный W-бозон испускается нуклоном, а затем распадается на e ± и (анти) нейтрино.
Описание сил в терминах виртуальных частиц ограничено применимостью теории возмущений, из которой оно получено. В определенных ситуациях, таких как низкоэнергетическая КХД и описание связанных состояний , теория возмущений не работает.
История
Концепция частиц-посыльных восходит к 18 веку, когда французский физик Шарль Кулон показал, что электростатическая сила между электрически заряженными объектами подчиняется закону, подобному закону тяготения Ньютона . Со временем эта связь стала известна как закон Кулона . К 1862 году Герман фон Гельмгольц описал луч света как «самый быстрый из всех посланников». В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил существование световой частицы в ответ на вопрос: «Что такое световые кванты?»
В 1923 году в Университете Вашингтона в Сент - Луисе , Артур Холли Комптон продемонстрировал эффект теперь известный как комптоновского рассеяния . Этот эффект можно объяснить только в том случае, если свет может вести себя как поток частиц и убедил физическое сообщество в существовании световой частицы Эйнштейна. Наконец, в 1926 году, за год до публикации теории квантовой механики, Гилберт Н. Льюис ввел термин « фотон », который вскоре стал названием легкой частицы Эйнштейна. [3] Оттуда концепция частиц-мессенджеров получила дальнейшее развитие, в частности, до массивных носителей силы (например, для потенциала Юкавы ).
Смотрите также
- Виртуальная частица
- Фундаментальное взаимодействие
- Экситон
Рекомендации
- ↑ Стивен Вайнберг , Мечты об окончательной теории , Хатчинсон, 1993.
- ^ Ротман, Тони; Стивен Боун (ноябрь 2006 г.). «Можно ли обнаружить гравитоны?». Основы физики . 36 (12): 1801–1825. arXiv : gr-qc / 0601043 . Bibcode : 2006FoPh ... 36.1801R . DOI : 10.1007 / s10701-006-9081-9 . S2CID 14008778 .
- ^ Краг, Хельге (2014). «Фотон: новый свет на старое имя» . arXiv : 1401.0293 .