Виртуальная частица

Виртуальная частица — некоторый абстрактный объект в квантовой теории поля, обладающий квантовыми числами одной из реальных элементарных частиц (с массой $m$), для которого, однако, не выполняется обычная связь между энергией и импульсом (то есть $E^2 \not = m^2 c^4 + p^2 c^2$). Виртуальные частицы не могут «улететь на бесконечность»; они рождаются и обязаны либо поглотиться какой-либо частицей, либо распасться. Можно сказать, что виртуальные частицы — это и есть то, как происходит взаимодействие. Процессы с участием виртуальных частиц называются виртуальными процессами.

Виртуальность частицы характеризуется релятивистски-инвариантной величиной $Q^2 = E^2 - p^2 c^2 - m^2 c^4$, причём $Q^2$ может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Область значений E и p, при которых виртуальность равна нулю, называется массовой поверхностью или массовой оболочкой частицы.

Если масса виртуальной частицы $m_{v} = \frac{1}{c^{2}}\sqrt{E^{2}-p^{2}c^{2}}$ отличается на $\Delta{m}$ от массы свободной частицы $|m_{v}-m| = \Delta {m}$, то, согласно соотношениям неопределённости между временем и энергией, эта виртуальная частица может существовать лишь в течение промежутка времени $\tau \le \frac{\hbar}{c^{2} \Delta {m}}$. За это время она может пролететь расстояние $r \le \frac{\hbar}{c \Delta {m}}$. Таким образом, чем больше виртуальность частицы, тем более короткое время происходит виртуальный процесс и на более малых расстояниях.

Поэтому в природе могут существовать такие поля, как поле Хиггса и поле слабого взаимодействия, хотя их частицы очень массивны. Однако, радиус действия массивных полей ограничен. Напротив, у безмассовых полей, таких как электромагнитное и гравитационное, время существования виртуальных частиц, а следовательно, и радиус действия, не ограничены ($\Delta {m}$ может быть сколь угодно близко к нулю).

Примеры виртуальных процессов

• Для фотона, которым обмениваются электрон и протон в атоме водорода $E^2 < m^2 c^4 + p^2 c^2$. У фотона масса $m=0$, а энергия $E=0$, потому что в результате взаимодействия импульс электрона меняется, а энергия остается неизменной.

Эффекты, объясняемые при помощи виртуальных частиц

Часто наличием виртуальных частиц объясняются следующие эффекты:

• Спонтанная эмиссия фотона в процессе распада возбуждённого атома или ядра; такой распад невозможен по законам обычной квантовой физики (поскольку возбужденные состояния есть точные стационарные состояния уравнения Шредингера). Он объясняется взаимодействием атома с нулевыми колебаниями электромагнитного поля в вакууме.;
• Эффект Казимира, заключающийся в наблюдаемом взаимном притяжении или отталкивании незаряженных немагнитных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме;
• Поляризация вакуума, которая включает генерацию пары частица-античастица или «распад вакуума», как, например, спонтанная генерация электрон-позитронной пары;
• Излучение Хокинга, которое, предположительно, генерируется на горизонте событий чёрных дыр;
• Эффект Унру — эффект, аналогичный излучению Хокинга, но наблюдающийся при ускорении частиц.

Физический смысл

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

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.

Впрочем, несмотря на некоторую фиктивность понятия «виртуальная частица», во многих случаях 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.

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 зафиксировать 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.

Сторонники другой точки зрения указывают, что виртуальные частицы способны переносить энергию на макроскопические расстояния, как, например при работе электрического трансформатора или при ядерном магнитном резонансе. Поэтому виртуальные процессы приводят к реальным, измеримым физическим последствиям. Таким образом, ответ на этот вопрос зависит от критериев виртуальности.

Ссылки

• Виртуальные частицы — статья из Физической энциклопедии