Виртуальная частица

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:Не путать Виртуа́льная части́ца — объект, который характеризуется почти всеми квантовыми числами, присущими одной из реальных элементарных частиц, но для которого нарушена свойственная последней связь между энергией и импульсом частицы. Понятие о виртуальных частицах возникло в квантовой теории поля. Такие частицы, родившись, не могут «улететь на бесконечность», они обязаны либо поглотиться какой-либо частицей, либо распасться на реальные частицы. Известные в физике фундаментальные взаимодействия протекают в форме обмена виртуальными частицами.

В квантовой теории поля понятия виртуальных частиц и виртуальных процессов занимают центральное место. Все взаимодействия частиц и их превращения в другие частицы в квантовой теории поля принято рассматривать как процессы, обязательно сопровождающиеся рождением и поглощением виртуальных частиц свободными реальными частицамиШаблон:Sfn. Это — крайне удобный язык для описания взаимодействия. В частности, громоздкость вычисления процессов резко снижается, если предварительно составить правила рождения, уничтожения и распространения этих виртуальных частиц (правила Фейнмана) и изобразить процесс графически, с помощью фейнмановских диаграмм.

Разделение частиц на реальные и виртуальные имеет точный смысл лишь в отсутствии сильного внешнего поля и лишено однозначности в областях пространства-времени, где внешнее поле является сильнымШаблон:Sfn.

Отличительные особенности виртуальных частиц

Основное и определяющее отличие виртуальной частицы от реальной — это нарушение известного из специальной теории относительности соотношения, которое связывает энергию <math>E</math> и импульс <math>\vec p</math> реальной частицы:

<math>E^2\,=\,m^2 c^4 + p^2 c^2\,;</math>

здесь <math>p</math> — модуль импульса, <math>m</math> — масса частицы, <math>c</math> — скорость света в вакууме. Для виртуальной частицы данное соотношение перестаёт быть справедливымШаблон:Sfn. Такие частицы могут существовать лишь очень короткое время и не могут быть зарегистрированы классическими измерительными приборами — например, счётчиками элементарных частицШаблон:Sfn.

Применительно к фотонам отличие виртуальных от реальных фотонов состоит ещё и в том, что для реального фотона проекция его спи́на на направление движения может принимать только значения <math>\pm1</math> (в релятивистских единицах), а для виртуального фотона возможно также значение <math>0</math>Шаблон:Sfn.

Потребность в понятии виртуальных частиц возникает вследствие того, что, согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма и принципу близкодействия, любое взаимодействие между элементарными частицами заключается в обмене квантами поля, обеспечивающего это взаимодействие. Так, электромагнитное взаимодействие электрона и протона в атоме водорода заключается в обмене фотонами между электроном и протоном. Но свободный электрон не может ни испустить, ни поглотить фотон. Причина — в том, что в системе отсчёта, в которой электрон покоился до испускания фотона, перед испусканием последнего энергия электрона равна <math>mc^2</math>, а после испускания энергия системы из электрона и фотона даётся выражением

<math>E\,=\,\frac{mc^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} + \hbar \omega\,;</math>

подобный процесс запрещён законом сохранения энергии. Поэтому считают, что при обмене виртуальными фотонами последние переносят импульс, но не переносят энергию.

Иногда, в целях наглядности, концепцию «виртуальных частиц» поясняют несколько иначе. А именно, говорят, что в процессе взаимодействия закон сохранения энергии выполняется с некоторой погрешностью. Это не противоречит квантовой механике: согласно соотношению неопределённостей, событие, длящееся конечный промежуток времени, не позволяет определить энергию с точностью выше некоторого предела. Грубо говоря, промежуточные частицы «берут энергию взаймы» на некоторое небольшое время. В этом случае в процессе взаимодействия могут рождаться и исчезать обычные частицы, только с небольшим нарушением закона сохранения энергии.

Шаблон:Якорь

За меру виртуальности частицы принимают релятивистски-инвариантную величину <math>Q^2\,=\,E^2 - p^2 c^2 - m^2 c^4,</math> причём <math>Q^2</math> может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Область значений <math>E</math> и <math>p</math>, при которых виртуальность <math>Q^2</math> равна нулю, называют массовой поверхностью (или массовой оболочкой) частицы.

Таким образом, вектор энергии-импульса виртуальной частицы может быть пространственноподобным. Поэтому один и тот же процесс с участием виртуальной частицы для наблюдателей в разных системах отсчёта может выглядеть по-разному: с точки зрения одного наблюдателя процесс может быть испусканием виртуальной частицы, а с точки зрения другого наблюдателя этот же процесс будет поглощением виртуальной античастицыШаблон:Sfn.

Для виртуальных частиц лишено смысла понятие классической траектории. Они поглощаются прежде, чем сместятся на расстояние, превышающее неопределённость их положенияШаблон:Sfn. Аналогом процессов испускания и поглощения виртуальных частиц является процесс проникновения света в плотную среду при полном внутреннем отражении в классической оптикеШаблон:Sfn. Число виртуальных частиц не является лоренц-инвариантным за счёт того, что они исчезают в одной точке и одновременно появляются в другойШаблон:Sfn.

Скорость виртуальной частицы не имеет непосредственного физического смысла. Это следует из того, что скорость <math>v</math> частицы определяется через её импульс <math>p</math>, энергию <math>E</math> и скорость света <math>c</math> соотношением <math>v=\frac{pc^{2}}{E}</math>Шаблон:Sfn. Например, для импульса и энергии виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, имеем: <math>p>0, E=0.</math> При подстановке в формулу <math>v=\frac{pc^{2}}{E}</math> этих значений для скорости получается бесконечно большая величина.

Масса виртуальной частицы также не имеет непосредственного физического смысла. Это следует из соотношения между массой <math>m</math>, энергией <math>E</math>, импульсом <math>p</math> и скоростью света <math>c</math> <math>m^2 c^4 = E^2 - p^2 c^2</math>Шаблон:Sfn. Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, значения <math>p</math> и <math>E</math> таковы: <math>p>0, E=0.</math> При подстановке в формулу <math>m^2 c^4 = E^2 - p^2 c^2</math> этих значений масса <math>m</math> частицы оказывается мнимой.

Виртуальный процесс

Процесс с участием виртуальных частиц называется виртуальным процессом. В виртуальных процессах действуют ограничения, связанные с сохранением электрического заряда, спина, странности, барионного, лептонного и других зарядов, но не действуют ограничения по энергии и импульсуШаблон:SfnШаблон:Sfn. Для описания виртуальных процессов применяется метод диаграмм ФейнманаШаблон:Sfn. За очень редкими исключениями, внутренние линии на диаграммах Фейнмана всегда относятся к виртуальным частицамШаблон:Sfn.

Виртуальная частица может возникнуть не только в процессе обмена между реальными частицами, но и в процессе поглощения одной реальной частицы другой реальной частицей. Эффект Комптона объясняется поглощением реального фотона реальным электроном с образованием виртуального электрона и последующим распадом виртуального электрона на реальные электрон и фотон, имеющие другие направления движения и энергииШаблон:Sfn.

Если масса виртуальной частицы

<math>m_{v}\,=\,\frac{1}{c^{2}}\sqrt{E^{2}-p^{2}c^{2}}</math>

отличается на <math>\Delta{m}</math> от массы свободной частицы: <math>|m_{v}-m|\,=\,\Delta {m} </math>, то, согласно соотношениям неопределённости между временем и энергией<ref>Шаблон:Книга — С. 193.</ref>, эта виртуальная частица может существовать лишь в течение промежутка времени <math>\tau \le \frac{\hbar}{c^{2} \Delta {m}}.</math> За это время она может пролететь расстояние <math>r \le \frac{\hbar}{c \Delta {m}}.</math> Таким образом, чем больше виртуальность частицы, тем более короткое время происходит виртуальный процесс и на более малых расстоянияхШаблон:Sfn.

При обмене элементарных частиц виртуальным квантом поля с массой <math>m</math> неопределённость энергии промежуточного виртуального состояния даётся неравенством <math>\Delta E \geqslant mc^2.</math> Расстояние <math>r,</math> пройденное квантом, связано с временем жизни виртуального состояния <math>\Delta t</math> соотношением <math>r \approx v \Delta t.</math> Соотношение неопределённостей между временем жизни виртуального состояния <math>\Delta t</math> и неопределённостью его энергии <math>\Delta E</math> выглядит как <math>\Delta E \Delta t \approx \hbar.</math> Используя эти три формулы, можно найти зависимость расстояния, пройденного виртуальным квантом, от его массы:

<math>r \approx v \Delta t \approx \frac{v \hbar}{\Delta E} \leqslant \frac{v \hbar}{m c^2} \leqslant \frac{\hbar}{m c}\,.</math>

Отсюда следует, что расстояние виртуального взаимодействия не превышает комптоновскую длину волны кванта — переносчика взаимодействияШаблон:Sfn.

У полей с квантами-переносчиками, имеющими нулевую массу — таких как электромагнитное и, предположительно, гравитационное взаимодействие, — комптоновская длина волны кванта-переносчика, а следовательно, и радиус действия, не ограниченыШаблон:Sfn. Напротив, у полей с квантами-переносчиками, имеющими ненулевую массу — таких как слабое взаимодействие, сильное взаимодействие<ref>Маляров В. В. Основы теории атомного ядра. — М., Физматгиз, 1959. — с. 195—200</ref>, — комптоновская длина волны кванта-переносчика, а следовательно, и радиус действия, ограниченыШаблон:Sfn.

Примеры виртуальных процессов

  • Процесс обмена виртуальными фотонами электрона и протона в атоме. В результате этого процесса энергия электрона не меняется, меняется лишь направление его импульса. Для свободной частицы должно быть справедливым соотношение <math>E^{2}-p^{2}c^{2}=m^{2}c^{4}</math>, но для виртуального фотона оно не выполняется. Найдём значение виртуальности фотона <math>Q^2\,=\,E^2 - p^2 c^2 - m^2 c^4.</math>Для кванта-переносчика — фотона <math>m=0</math>. Фотон переносит импульс <math>p \ne 0</math>, а его энергия <math>E=0</math>. Поэтому <math>Q^2<0</math>: <math>Q^2 = E^{2}-p^{2}c^{2} = -p^{2}c^{2} < 0</math><ref>Окунь Л. Б. Элементарное введение в физику элементарных частиц, 3-е изд., М., Физматлит, 2009, 128 c., ISBN 978-5-9221-1070-9</ref>.
  • Процесс обмена виртуальными фотонами между обмотками электрического трансформатора. Электроэнергия передаётся из одной обмотки трансформатора в другую виртуальными фотонами с энергией <math>\hbar \omega</math> (<math>\omega</math> — частота переменного тока) и с длиной волны порядка размеров зазора между обмотками трансформатора. Импульс волн такой длины на несколько порядков превышает импульс свободной волны частотой <math>\omega = 50</math> Гц, так как свободная волна такой частоты имеет длину волны порядка 1000 кмШаблон:Sfn.
  • Процесс возникновения и исчезновения виртуальных электронно-позитронных пар вблизи электрона, на расстояниях порядка комптоновской длины электрона (поляризация вакуума)Шаблон:Sfn
  • Нуклоны окружены виртуальными пи-мезонами, возникающими в результате виртуальных процессов: <math>p \rightleftarrows n + \pi^{+}</math>, <math>n \rightleftarrows p + \pi^{-}</math>, <math>p \rightleftarrows p + \pi^{0}</math>, <math>n \rightleftarrows n + \pi^{0}</math><ref name="Sav">Шаблон:Публикация</ref>.

Эффекты, объясняемые при помощи виртуальных частиц

Часто наличием виртуальных частиц объясняются следующие эффекты:

Физический смысл

Являются ли виртуальные частицы и процессы реальными или представляют собой удобный метод математического описания реальности?

На этот вопрос есть два противоположных ответа.

Один из ответов на этот вопрос утверждает, что виртуальные частицы — это в большей степени математическое явление, чем физическая реальность. Действительно, в квантовой теории поля в точных выражениях для процессов взаимодействия реальных частиц никакие виртуальные частицы не фигурируют. Если же, однако, попытаться упростить точное выражение в рамках теории возмущений, разложив его в ряд по константе взаимодействия (малому параметру теории), то возникает бесконечный набор слагаемых. Каждый из членов этого ряда выглядит так, словно в процессе взаимодействия порождаются и исчезают объекты, обладающие квантовыми числами реальных частиц. Однако эти объекты распространяются в пространстве по закону, отличному от реальных частиц, и поэтому если их трактовать как испускание и поглощение частицы, то придётся принять, что для них не выполняется связь между энергией и импульсом. Таким образом, виртуальные частицы появляются только тогда, когда мы определённым образом упрощаем исходное выражение. Понятие о виртуальных частицах возникло не на основе опытных фактов, а выведено из математического аппарата квантовой физики. Следовательно, это чисто умозрительное понятие для математических вычисленийШаблон:Sfn.

Виртуальные процессы происходят в промежутки времени порядка <math>10^{-24}</math> сек, а такие процессы в силу соотношения неопределённости для энергии и времени принципиально не могут наблюдаться. Таким образом, виртуальные частицы и процессы «ненаблюдаемы» и физической реальности не имеютШаблон:Sfn.

Виртуальные частицы наделены свойствами, не имеющими физического смысла, такими как отрицательная и мнимая массаШаблон:Sfn.

Виртуальные процессы совершаются с нарушением законов сохранения и потому не могут быть описаны классической физикой, так как всякий реальный процесс в классической физике происходит с соблюдением законов сохраненияШаблон:Sfn.

Сторонники другой точки зрения утверждают, что в понятии виртуальных частиц и виртуальных процессов имеется объективное содержание, отражающее явления природы.

Невозможность наблюдать виртуальные частицы в измерительных приборах не опровергает их объективного существования. Можно создавать виртуальные частицы, использовать их для воздействия на другие частицы, воздействовать на них и превращать в действительные частицыШаблон:Sfn.

Имеется ряд физических доказательств объективного существования виртуальных частицШаблон:Sfn.

  • Виртуальные пионы, окружающие нуклоны, отклоняют быстрые электроны.
  • Виртуальные фотоны вызывают спонтанные переходы электронов в атоме с более высокого на более низкий энергетический уровень и лэмбовский сдвиг энергетических уровней в атоме водорода.
  • Виртуальные частицы могут превратиться в действительные за счёт внешних (например, при ускорении электрона виртуальные фотоны превращаются в реальные<ref name="Sav" />) или внутренних (например, при <math>\beta</math>-распаде виртуальные электроны и антинейтрино превращаются в действительные).
  • Действительные частицы при поглощении виртуальных частиц превращаются в другие действительные частицы (например, действительный нейтрон, поглотивший виртуальный пион, превращается в действительный протон).
  • Виртуальные частицы превращаются в действительные при сообщении системе, в которой они находятся, некоторой энергии. Например, при сообщении нуклонам достаточной энергии окружающие их виртуальные пи-мезоны превращаются в реальные<ref name="Sav" />.
  • Виртуальные частицы в составе действительных частиц определяют их свойства (например, токи виртуальных мезонов определяют магнитные моменты нуклонов).
  • Виртуальные частицы порождают вполне действительные поля (например, ядерное, электромагнитное).
  • Виртуальные частицы способны переносить энергию на макроскопические расстояния, как, например, при работе электрического трансформатора или при ядерном магнитном резонансеШаблон:Sfn.

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Источник — https://camokathomelab.servebeer.com/mediawiki/index.php?title=Виртуальная_частица&oldid=5646