Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Не путать с Античастицей .
Для связанных статей см Квантовый вакуум (значения) .

В физике , А виртуальная частица является переходным квантовая флуктуация , которая проявляет некоторые из характеристик обычной частицы, имея при этом свое существование , ограниченную принципом неопределенности . Концепция виртуальных частиц возникает в теории возмущений в квантовой теории поля , где взаимодействие между обычными частицами описаны в терминах обмена виртуальных частиц. Процесс с участием виртуальных частиц может быть описан схематическим представлением, известным как диаграмма Фейнмана , в которой виртуальные частицы представлены внутренними линиями. [1] [2]

Виртуальные частицы не обязательно несут ту же массу, что и соответствующая реальная частица, хотя они всегда сохраняют энергию и импульс. Чем ближе его 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 - это обменная частица для электромагнитного взаимодействия .

Этот термин несколько расплывчатый и расплывчатый, поскольку он относится к представлению о том, что мир состоит из «реальных частиц». Это не так. «Настоящие частицы» лучше понимать как возбуждения лежащих в основе квантовых полей. Виртуальные частицы также являются возбуждением лежащих в основе полей, но являются «временными» в том смысле, что они появляются при расчетах взаимодействий, но никогда не являются асимптотическими состояниями или индексами матрицы рассеяния . Точность и использование виртуальных частиц в расчетах твердо установлены, но, поскольку они не могут быть обнаружены в экспериментах, решение о том, как их точно описать, является предметом дискуссий. [3]

Свойства [ править ]

Концепция виртуальных частиц возникает в теории возмущений в квантовой теории поля , схема аппроксимации , в которых взаимодействие (в сущности, сила) между фактическими частицами рассчитываются в терминах обмена виртуальных частиц. Такие вычисления часто выполняются с использованием схематических представлений, известных как диаграммы Фейнмана , в которых виртуальные частицы выглядят как внутренние линии. Выражая взаимодействие через обмен виртуальной частицей с четырьмя импульсами q , где q задается разностью между четырьмя импульсами частиц, входящих и покидающих вершину взаимодействия, при взаимодействии сохраняется как импульс, так и энергия вершиныдиаграммы Фейнмана. [4] : 119

Виртуальная частица не подчиняется в точности соотношению энергия-импульс m 2 c 4 = E 2 - p 2 c 2 . Его кинетическая энергия может не иметь обычного отношения к скорости . Это может быть отрицательно. [5] : 110 Это выражено фразой off mass shell . [4] : 119 Амплитуда вероятности существования виртуальной частицы, как правило, компенсируется деструктивной интерференцией.на большие расстояния и времена. Как следствие, реальный фотон не имеет массы и, следовательно, имеет только два состояния поляризации, тогда как виртуальный фотон, будучи эффективно массивным, имеет три состояния поляризации.

Квантовое туннелирование можно рассматривать как проявление обмена виртуальными частицами. [6] : 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. [7]

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 согласованными друг с другом и больше не мешают. С точки зрения квантовой теории поля, реальные частицы рассматриваются как обнаруживаемые возбуждения лежащих в основе квантовых полей. Виртуальные частицы также рассматриваются как возбуждение основных полей, но появляются 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 дляматрица рассеяния , то есть они никогда не появляются в качестве наблюдаемых входов и выходов моделируемого физического процесса.

Понятие виртуальных частиц появляется в современной физике двумя основными способами. В диаграммах Фейнмана они появляются как промежуточные члены ; то есть как члены пертурбативного вычисления. Они также выглядят как бесконечный набор состояний, которые необходимо суммировать или интегрировать при вычислении полунепертурбативного эффекта. В последнем случае иногда говорят, что виртуальные частицы вносят вклад в механизм, который опосредует эффект, или что эффект происходит через виртуальные частицы. [4] : 118

Проявления [ править ]

Существует множество наблюдаемых физических явлений, возникающих при взаимодействии с виртуальными частицами. Для бозонных частиц, которые проявляют массу покоя, когда они свободны и актуальны, виртуальные взаимодействия характеризуются относительно коротким диапазоном силового взаимодействия, создаваемого обменом частицами. Заключение также может привести к короткой дистанции. Примерами таких короткодействующих взаимодействий являются сильные и слабые силы и связанные с ними полевые бозоны.

Что касается гравитационных и электромагнитных сил, нулевая масса покоя ассоциированной бозонной частицы позволяет виртуальным частицам переносить дальнодействующие силы. Однако в случае фотонов передача мощности и информации виртуальными частицами является относительно короткодействующим явлением (существующим только в пределах нескольких длин волн возмущающего поля, которое несет информацию или передаваемую мощность), как, например, видно на характерном малый диапазон индуктивных и емкостных воздействий в ближней зоне катушек и антенн.

Вот некоторые полевые взаимодействия, которые можно увидеть в терминах виртуальных частиц:

  • Сила Кулона (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 у фотона нет 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 обратного куба для магнитной силы. Поскольку фотон не имеет массы, магнитный потенциал имеет бесконечный диапазон.
  • Электромагнитная индукция . Это явление передает энергию к магнитной катушке и от нее через изменяющееся (электромагнитное) поле.
  • Сильные ядерные силы между кварками являются результатом взаимодействия виртуальных глюонов . Остаточная часть этой силы вне триплетов кварков (нейтрон и протон) удерживает нейтроны и протоны вместе в ядрах и возникает благодаря виртуальным мезонам, таким как пи-мезон и ро-мезон .
  • Слабая ядерная сила является результатом обмена виртуальными W и Z бозонов .
  • Спонтанное излучение из фотона при распаде возбужденного атома или возбужденного ядра; такой распад запрещен обычной квантовой механикой и требует квантования электромагнитного поля для его объяснения.
  • Эффект Казимира , когда основное состояние квантованного электромагнитного поля вызывает притяжение между парой электрически нейтральных металлических пластин.
  • Сила Ван-дер-Ваальса , которая частично возникает из-за эффекта 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 , которая определяет соотношение между напряженностью электрического поля | E | и напряженность магнитного поля | H  | : Z 0 = | E | ⁄ | H | . [8] 
  • Большая часть так называемого ближнего поля радиоантенн, где магнитные и электрические эффекты изменяющегося тока в антенном проводе и зарядовые эффекты емкостного заряда провода могут быть (и обычно являются) важными составляющими общего электромагнитного поля. близко к источнику, но оба эти эффекта являются дипольными эффектами, которые затухают с увеличением расстояния от антенны намного быстрее, чем влияние «обычных» электромагнитных волн , находящихся «далеко» от источника. [a] Эти волны дальнего поля, для которых E (в пределе большого расстояния) равно cB, состоят из реальных фотонов. Фактические и виртуальные фотоны смешиваются около антенны, причем виртуальные фотоны отвечают только за «дополнительные» магнитно-индукционные и переходные электрические дипольные эффекты, которые вызывают любой дисбаланс между E и cB . По мере увеличения расстояния от антенны эффекты ближнего поля (в виде дипольных полей) исчезают быстрее, и только «радиационные» эффекты, которые возникают из-за реальных фотонов, остаются важными эффектами. Хотя виртуальные эффекты распространяются на бесконечность, они уходят в напряженности поля , как 1 / г 2 , а не в области электромагнитных волн , состоящих из реальных фотонов, которые выпадают 1 / г . [b] [c]

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 процесса туннелирования были представлены Гюнтером Нимцем [9] и Альфонсом А. Штальхофеном. [10]

Диаграммы Фейнмана [ править ]

Диаграмма одночастичного обменного рассеяния

Расчет амплитуд рассеяния в теоретической физике 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 . Диаграммы Фейнмана привлекательны, поскольку они позволяют наглядно представить то, что в противном случае было бы довольно загадочной и абстрактной формулой. В частности, часть привлекательности состоит в том, что исходящие части диаграммы Фейнмана могут быть связаны с реальными частицами на оболочке . Таким образом, естественно связать и другие линии на диаграмме с частицами, называемыми «виртуальными частицами». Математически они соответствуютпропагаторы, представленные на диаграмме.

На соседнем изображении сплошные линии соответствуют реальным частицам (с импульсом p 1 и так далее), 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 пунктирная линия была бы виртуальным пионом . В случае кварков, взаимодействующих посредством сильного взаимодействия , пунктирная линия была бы виртуальным глюоном и так далее.

Однопетлевая диаграмма с фермионным пропагатором

Виртуальные частицы могут быть мезонами или векторными бозонами , как в приведенном выше примере; они также могут быть фермионами . Однако, чтобы сохранить квантовые числа, самые простые диаграммы, включающие обмен фермионами, запрещены. На изображении справа показана разрешенная диаграмма, однопетлевой диаграммы . Сплошные линии соответствуют фермионному пропагатору, волнистые линии - бозонам.

Пылесосы [ править ]

Основные статьи: квантовая флуктуация , КЭД-вакуум , КХД-вакуум и состояние вакуума

Формально частица рассматривается как собственное состояние от числа частиц оператора а † а, где а частица оператор уничтожения и † частица оператор рождения (иногда называемые в совокупности лестничных операторов ). Во многих случаях оператор числа частиц не коммутирует с гамильтонианом системы. Это означает, что количество частиц в области пространства не является точно определенной величиной, но, как и другие квантовые наблюдаемые , представлено распределением вероятностей . Поскольку эти частицы не существуют постоянно,[ Разъяснение необходимости ] они называются виртуальными частицами или флуктуации вакуума из вакуумной энергии . В определенном смысле их можно понять как проявление принципа неопределенности энергии-времени в вакууме. [11]

Важным примером «присутствия» виртуальных частиц в вакууме является эффект Казимира . [12] Здесь для объяснения эффекта требуется, чтобы полную энергию всех виртуальных частиц в вакууме можно было сложить. Таким образом, хотя сами виртуальные частицы не наблюдаются непосредственно в лаборатории, они все же оставляют наблюдаемый эффект: их энергия нулевой точки приводит к силам, действующим на соответствующим образом расположенные металлические пластины или диэлектрики . [13] С другой стороны, эффект Казимира можно интерпретировать как релятивистскую силу Ван-дер-Ваальса . [14]

Производство пар [ править ]

Основная статья: Производство пар

Виртуальные частицы часто описываются как входящие в 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 на части с использованием внешней энергии, так что они избегают аннигиляции и становятся настоящими частицами, как описано ниже.

Это может произойти одним из двух способов. В ускоряющейся системе отсчета виртуальные частицы могут казаться действительными для ускоряющегося наблюдателя; это известно как эффект Унру . Короче говоря, вакуум неподвижной системы отсчета ускоренному наблюдателю кажется теплым газом реальных частиц, находящихся в термодинамическом равновесии .

Другой пример - образование пар в очень сильных электрических полях, иногда называемое распадом вакуума . Если, например, пара атомных ядер сливается, чтобы на очень короткое время образовать ядро ​​с зарядом больше примерно 140 (то есть больше, чем примерно обратная величина постоянной тонкой структуры , которая является безразмерной величиной ), сила электрического поля будет таким, что будет энергетически выгодно создавать пары позитрон-электрон из вакуума или моря Дирака , при этом электрон притягивается к ядру, чтобы аннигилировать положительный заряд. Эту амплитуду образования пар впервые рассчитал Джулиан Швингер в 1951 году.

По сравнению с реальными частицами [ править ]

Вследствие неопределенности квантовой механики любой объект или процесс, существующий в течение ограниченного времени или в ограниченном объеме, не может иметь точно определенной энергии или импульса. По этой причине виртуальные частицы, которые существуют только временно, поскольку ими обмениваются обычные частицы, обычно не подчиняются соотношению массы и оболочки ; чем дольше существует виртуальная частица, тем больше энергия и импульс приближаются к соотношению массы и оболочки.

Время жизни реальных частиц обычно намного больше, чем время жизни виртуальных частиц. Электромагнитное излучение состоит из реальных фотонов, которые могут проходить световые годы между излучателем и поглотителем, но (кулоновское) электростатическое притяжение и отталкивание - это сила относительно короткого действия, которая является следствием обмена виртуальными фотонами [ необходима цитата ] .

См. Также [ править ]

  • Аномальный фотоэлектрический эффект
  • Носитель силы
  • Квазичастица
  • Статические силы и обмен виртуальными частицами
  • Вакуумный генезис
  • Вакуумные колебания Раби
  • Виртуальное государство
  • Виртуальная черная дыра

Сноски [ править ]

  1. ^ "Далеко" в терминах отношения длины или диаметра антенны к длине волны.
  2. ^ Электрическая мощность в полях, соответственно, уменьшениекак 1 / г 4 и 1 / г 2 .
  3. ^ См. Ближнее и дальнее поле для более подробного обсуждения. См. Раздел « Связь ближнего поля» для практических приложений связи ближнего поля.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Пескин, ME, Schroeder, DV (1995). Введение в квантовую теорию поля , Westview Press, ISBN  0-201-50397-2 , стр. 80.
  2. ^ Мандл, Ф., Шоу, Г. (1984/2002). Квантовая теория поля , John Wiley & Sons, Chichester UK, исправленное издание, ISBN 0-471-94186-7 , стр. 56, 176. 
  3. Перейти ↑ Jaeger, Gregg (2019). «Неужели виртуальные частицы менее реальны?» (PDF) . Энтропия . 21 (2): 141. Bibcode : 2019Entrp..21..141J . DOI : 10.3390 / e21020141 .
  4. ^ a b c Томсон, Марк (2013). Современная физика элементарных частиц . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1107034266.
  5. ^ Хокинг, Стивен (1998). Краткая история времени (Обновленное и расширенное изд. К десятилетнему юбилею). Нью-Йорк: Bantam Books. ISBN 9780553896923.
  6. ^ Уолтерс, Тони Эй; Патрик (2004). Новая квантовая вселенная . Новая квантовая вселенная (Перепечатка. Ред.). Кембридж [ua]: Cambridge Univ. Нажмите. Bibcode : 2003nqu..book ..... H . ISBN 9780521564571.
  7. Перейти ↑ Calle, Carlos I. (2010). Суперструны и прочее: справочник по физике (2-е изд.). Бока-Ратон: CRC Press / Тейлор и Фрэнсис. С. 443–444. ISBN 9781439810743.
  8. ^ "Эфемерные частицы вакуума вызывают колебания скорости света" . Phys.org . Проверено 24 июля 2017 .
  9. ^ Nimtz, G. (2009). «О виртуальных фононах, фотонах и электронах». Найденный. Phys . 39 (12): 1346–1355. arXiv : 0907.1611 . Bibcode : 2009FoPh ... 39.1346N . DOI : 10.1007 / s10701-009-9356-z . S2CID 118594121 . 
  10. ^ Stahlhofen, A .; Нимц, Г. (2006). «Эванесцентные моды - это виртуальные фотоны». Europhys. Lett . 76 (2): 198. Bibcode : 2006EL ..... 76..189S . DOI : 10,1209 / EPL / i2006-10271-9 .
  11. Перейти ↑ Raymond, David J. (2012). Радикально современный подход к вводной физике: том 2: четыре силы . Сокорро, Нью-Мексико: New Mexico Tech Press. С. 252–254. ISBN 978-0-98303-946-4.
  12. Перейти ↑ Choi, Charles Q. (13 февраля 2013 г.). «Вакуум может давать вспышки света» . Природа . DOI : 10.1038 / nature.2013.12430 . S2CID 124394711 . Дата обращения 2 августа 2015 . 
  13. ^ Lambrecht, Астрид (сентябрь 2002). «Эффект Казимира: сила из ничего». Мир физики . 15 (9): 29–32. DOI : 10.1088 / 2058-7058 / 15/9/29 .
  14. ↑ Jaffe, RL (12 июля 2005 г.). «Эффект Казимира и квантовый вакуум». Physical Review D . 72 (2): 021301. arXiv : hep-th / 0503158 . Bibcode : 2005PhRvD..72b1301J . DOI : 10.1103 / PhysRevD.72.021301 . S2CID 13171179 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Действительно ли виртуальные частицы постоянно появляются и исчезают?  - Гордон Кейн, директор Мичиганского центра теоретической физики при Мичиганском университете в Анн-Арборе, предлагает ответ на сайте Scientific American .
  • Виртуальные частицы: что это такое?
  • Д. Кайзер (2005), американский ученый, 93 стр. 156 популярная статья