ru.wikipedia.org

Виртуальная частица — Википедия

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 частицами[1]. 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 сильным[2].

Основное и определяющее отличие виртуальной частицы от реальной — это нарушение известного из специальной теории относительности соотношения, которое связывает энергию {\displaystyle E} и импульс {\displaystyle {\vec {p}}} реальной частицы:

{\displaystyle E^{2}\,=\,m^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}\,;}

здесь {\displaystyle p} — модуль импульса, {\displaystyle m} — масса частицы, {\displaystyle c} — скорость света в вакууме. Для виртуальной частицы данное соотношение перестаёт быть справедливым[3]. Такие частицы могут существовать лишь очень короткое время и не могут быть зарегистрированы классическими измерительными приборами — например, счётчиками элементарных частиц[4].

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 {\displaystyle \pm 1} (в релятивистских единицах), а для виртуального фотона возможно также значение {\displaystyle 0}[5].

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 {\displaystyle mc^{2}}, а после испускания энергия системы из электрона и фотона даётся выражением

{\displaystyle E\,=\,{\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}+\hbar \omega \,;}

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.

За меру виртуальности частицы принимают релятивистски-инвариантную величину {\displaystyle Q^{2}\,=\,E^{2}-p^{2}c^{2}-m^{2}c^{4},} причём {\displaystyle Q^{2}} может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Область значений {\displaystyle E} и {\displaystyle p}, при которых виртуальность {\displaystyle Q^{2}} 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 античастицы[6].

Для виртуальных частиц лишено смысла понятие классической траектории. Они поглощаются прежде, чем сместятся на расстояние, превышающее неопределённость их положения[7]. Аналогом процессов испускания и поглощения виртуальных частиц является процесс проникновения света в плотную среду при полном внутреннем отражении в классической оптике[7]. Число виртуальных частиц не является лоренц-инвариантным за счёт того, что они исчезают в одной точке и одновременно появляются в другой[7].

Скорость виртуальной частицы не имеет непосредственного физического смысла. Это следует из того, что скорость {\displaystyle v} частицы определяется через её импульс {\displaystyle p}, энергию {\displaystyle E} и скорость света {\displaystyle c} соотношением {\displaystyle v={\frac {pc^{2}}{E}}}[8]. Например, для импульса и энергии виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, имеем: {\displaystyle p>0,E=0.} При подстановке в формулу {\displaystyle v={\frac {pc^{2}}{E}}} этих значений для скорости получается бесконечно большая величина.

Масса виртуальной частицы также не имеет непосредственного физического смысла. Это следует из соотношения между массой {\displaystyle m}, энергией {\displaystyle E}, импульсом {\displaystyle p} и скоростью света {\displaystyle c} {\displaystyle m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}}[9]. Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, значения {\displaystyle p} и {\displaystyle E} таковы: {\displaystyle p>0,E=0.} При подстановке в формулу {\displaystyle m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}} этих значений масса {\displaystyle m} частицы оказывается мнимой.

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 импульсу[10][1]. Для описания виртуальных процессов применяется метод диаграмм Фейнмана[11]. За очень редкими исключениями, внутренние линии на диаграммах Фейнмана всегда относятся к виртуальным частицам[12].

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 энергии[4].

Если масса виртуальной частицы

{\displaystyle m_{v}\,=\,{\frac {1}{c^{2}}}{\sqrt {E^{2}-p^{2}c^{2}}}}

отличается на {\displaystyle \Delta {m}} от массы свободной частицы: {\displaystyle |m_{v}-m|\,=\,\Delta {m}}, то, согласно соотношениям неопределённости между временем и энергией[13], эта виртуальная частица может существовать лишь в течение промежутка времени {\displaystyle \tau \leq {\frac {\hbar }{c^{2}\Delta {m}}}.} За это время она может пролететь расстояние {\displaystyle r\leq {\frac {\hbar }{c\Delta {m}}}.} Таким образом, чем больше виртуальность частицы, тем более короткое время происходит виртуальный процесс и на более малых расстояниях[14].

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

{\displaystyle r\approx v\Delta t\approx {\frac {v\hbar }{\Delta E}}\leqslant {\frac {v\hbar }{mc^{2}}}\leqslant {\frac {\hbar }{mc}}\,.}

Отсюда следует, что расстояние виртуального взаимодействия не превышает комптоновскую длину волны кванта — переносчика взаимодействия[15].

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 ограничены[16]. Напротив, у полей с квантами-переносчиками, имеющими ненулевую массу — таких как слабое взаимодействие, сильное взаимодействие[17], — комптоновская длина волны кванта-переносчика, а следовательно, и радиус действия, ограничены[18].

Часто наличием виртуальных частиц объясняются следующие эффекты:

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 вычислений[24].

Виртуальные процессы происходят в промежутки времени порядка {\displaystyle 10^{-24}} 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 имеют[24].

Виртуальные частицы наделены свойствами, не имеющими физического смысла, такими как отрицательная и мнимая масса[24].

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 сохранения[24].

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 частицы[25].

Имеется ряд физических доказательств объективного существования виртуальных частиц[26].

  • 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[22]) или внутренних (например, при {\displaystyle \beta }-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[22].
  • 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 резонансе[20].
  1. ↑ 1 2 Физика микромира, 1980, с. 132.
  2. ↑ Новиков, 1986, с. 191.
  3. ↑ Берестецкий, Лифшиц, Питаевский, 1980, с. 53, 351—352.
  4. ↑ 1 2 Физика микромира, 1980, с. 133.
  5. ↑ Берестецкий, Лифшиц, Питаевский, 1980, с. 44, 352.
  6. ↑ Широков, 1972, с. 315.
  7. ↑ 1 2 3 Тирринг, 1964, с. 25.
  8. ↑ Широков, 1972, с. 16.
  9. ↑ Широков, 1972, с. 15.
  10. ↑ Широков, 1972, с. 303.
  11. ↑ Широков, 1972, с. 304.
  12. ↑ Широков, 1972, с. 306.
  13. ↑ Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. . Квантовая механика (нерелятивистская теория). 4-е изд. — М.: Наука, 1989. — 768 с. — (Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика, т. III). — ISBN 5-02-014421-5. — С. 193.
  14. ↑ Широков, 1972, с. 311.
  15. ↑ Нишиджима, 1965, с. 15.
  16. ↑ Фриш, 1966, с. 98.
  17. ↑ Маляров В. В. Основы теории атомного ядра. — М., Физматгиз, 1959. — с. 195—200
  18. ↑ Фриш, 1966, с. 104.
  19. ↑ Окунь Л. Б. Элементарное введение в физику элементарных частиц, 3-е изд., М., Физматлит, 2009, 128 c., ISBN 978-5-9221-1070-9
  20. ↑ 1 2 Широков, 1972, с. 318.
  21. ↑ Тирринг, 1964, с. 23.
  22. ↑ 1 2 3 4 Савельев, И. В. Курс общей физики. — М. : Наука, 1987. — Т. 3 : Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. — С. 240–244.
  23. ↑ А. Б. Мигдал, В. П. Крайнов Приближенные методы квантовой механики, М.: Наука, 1966 г., 4. Оценки в квантовой электродинамике. Нулевые колебания электромагнитного поля, стр. 47-50
  24. ↑ 1 2 3 4 Готт, 1972, с. 180.
  25. ↑ Готт, 1972, с. 181.
  26. ↑ Готт, 1972, с. 182.