Виртуальная частица

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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.[1]

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.[источник не указан 157 дней]

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).[источник не указан 157 дней]

Примеры виртуальных процессов[править | править вики-текст]

  • Фотонами обмениваются электрон и протон в атоме. У фотона масса m=0, а энергия E=1, поэтому в результате взаимодействия импульс электрона меняется, но энергия остается неизменной[2].

Эффекты, объясняемые при помощи виртуальных частиц[править | править вики-текст]

Часто наличием виртуальных частиц объясняются следующие эффекты:

Физический смысл[править | править вики-текст]

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.

Виртуальные процессы происходят в промежутки времени порядка 10^{-24} сек, а такие процессы в силу соотношения неопределенности для энергии и времени принципиально не могут наблюдаться. Таким образом, виртуальные частицы и процессы «ненаблюдаемы» и физической реальности не имеют.

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

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.

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 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.[4]

Имеется ряд физических доказательств объективного существования виртуальных частиц.[4]

  • Виртуальные пиооны, 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) или внутренних (например, при \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.
  • 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.

Таким образом, имеются все основания рассматривать виртуальные частицы как объективно существующие, а не как логические образы.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика, М., Наука, 1972, 670 c., тир. 30000 экз.
  2. Окунь Л. Б. Элементарное введение в физику элементарных частиц, 3-е изд., М., Физматлит, 2009, 128 c., ISBN 978-5-9221-1070-9
  3. А. Б. Мигдал, В. П. Крайнов Приближеные методы квантовой механики, М.: Наука, 1966 г., 4. Оценки в квантовой электродинамике. Нулевые колебания электромагнитного поля, стр. 47-50
  4. 1 2 Готт В. С. Философские вопросы современной физики, М., Высшая школа, 1972, 416 c.

Ссылки[править | править вики-текст]