Виртуальная частица - Virtual particle

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

В физика, а виртуальная частица временный квантовая флуктуация который демонстрирует некоторые характеристики обычной частицы, хотя его существование ограничено принцип неопределенности. Понятие виртуальных частиц возникает в теория возмущений из квантовая теория поля где взаимодействия между обычными частицами описываются в терминах обмена виртуальными частицами. Процесс с участием виртуальных частиц можно описать схематическим представлением, известным как Диаграмма Фейнмана, в котором 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 дольше существует виртуальная частица, тем ближе ее характеристики к характеристикам обычных частиц. Они важны в физике многих процессов, включая рассеяние частиц и Казимира силы. В квантовой теории поля силы, такие как электромагнитное отталкивание или притяжение между двумя зарядами - это можно рассматривать как результат обмена виртуальными фотонами между зарядами. Виртуальные фотоны - это обменная частица для электромагнитное взаимодействие.

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 для матрица 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]

Характеристики

Представление о виртуальных частицах возникает в теория возмущений из квантовая теория поля, аппроксимационная схема, в которой взаимодействия (по сути, силы) между реальными частицами вычисляются в терминах обмена виртуальными частицами. Такие вычисления часто выполняются с использованием схематических представлений, известных как Диаграммы Фейнмана, в котором виртуальные частицы выглядят как внутренние линии. Выражая взаимодействие в терминах обмена виртуальной частицей с четырехимпульсом q, где q дается разностью четырех импульсов частиц, входящих и покидающих вершину взаимодействия, и импульс, и энергия сохраняются в вершинах взаимодействия диаграммы Фейнмана.[4]:119

Виртуальная частица точно не подчиняется соотношение энергия-импульс м2c4 = E2 − п2c2. Его кинетическая энергия может не иметь обычного отношения к скорость. Это может быть отрицательно.[5]:110 Это выражается фразой вне массовой оболочки.[4]:119 Амплитуда вероятности существования виртуальной частицы имеет тенденцию сокращаться на деструктивное вмешательство 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 для матрица рассеяния то есть они никогда не появляются как наблюдаемые входы и выходы моделируемого физического процесса.

Понятие виртуальных частиц появляется в современной физике двумя основными способами. Они появляются как промежуточные условия в Диаграммы Фейнмана; 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

Существует множество наблюдаемых физических явлений, возникающих при взаимодействии с виртуальными частицами. Для бозонных частиц, проявляющих масса покоя когда они свободны и актуальны, виртуальные взаимодействия характеризуются относительно коротким диапазоном силового взаимодействия, производимого обменом частицами. Заключение также может привести к небольшому радиусу действия. 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 эффектов в ближнее поле зона катушек и антенн.

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

  • В Кулоновская сила (статическая электрическая сила) между электрическими зарядами. Это вызвано обменом виртуальных фотоны. В симметричном трехмерном пространстве этот обмен приводит к закон обратных квадратов для электрической силы. Поскольку у фотона нет массы, кулоновский потенциал имеет бесконечный диапазон.
  • В магнитное поле между магнитными диполи. Это вызвано обменом виртуальных фотоны. В симметричном трехмерном пространстве этот обмен приводит к закону обратного куба для магнитной силы. Поскольку у фотона нет массы, магнитный потенциал имеет бесконечный диапазон.
  • Электромагнитная индукция. Это явление передает энергию к магнитной катушке и от нее через изменяющееся (электромагнитное) поле.
  • В сильная ядерная сила между кварки является результатом взаимодействия виртуальных глюоны. 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.
  • В слабая ядерная сила является результатом обмена виртуальными W- и Z-бозоны.
  • В спонтанное излучение из фотон при распаде возбужденного атома или возбужденного ядра; такой распад запрещен обычной квантовой механикой и требует квантования электромагнитного поля для его объяснения.
  • В Эффект Казимира, где основное состояние квантованного электромагнитного поля вызывает притяжение между парой электрически нейтральных металлических пластин.
  • В сила Ван дер Ваальса, что частично связано с эффектом Казимира между двумя атомами.
  • Поляризация вакуума, который включает парное производство или распад вакуума, что является спонтанным рождением пар частица-античастица (например, электрон-позитрон).
  • Баранина сдвиг позиций атомных уровней.
  • В Импеданс свободного пространства, который определяет соотношение между напряженность электрического поля |E| и напряженность магнитного поля |ЧАС |: Z0 = ​| E|⁄|ЧАС|.[8]
  • Многие из так называемых ближнее поле радиоантенн, где магнитные и электрические эффекты изменяющегося тока в антенном проводе и зарядовые эффекты емкостного заряда провода могут быть (и обычно являются) важными факторами общего электромагнитного поля вблизи источника, но оба из которых эффекты диполь эффекты, которые затухают с увеличением расстояния от антенны намного быстрее, чем влияние "обычных" электромагнитные волны которые «далеки» от источника.[а] Эти волны дальнего поля, для которых E равно (в пределе большого расстояния) cB, состоят из реальных фотонов. Фактические и виртуальные фотоны смешиваются около антенны, причем виртуальные фотоны отвечают только за «лишние» 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 простираются до бесконечности, они уменьшаются в напряженности поля, когда ​1⁄р2 а не поле электромагнитных волн, состоящее из реальных фотонов, которые падают ​1⁄р.[b][c]

Большинство из них имеют аналогичные эффекты в физика твердого тела; действительно, часто можно получить лучшее интуитивное понимание, исследуя эти случаи. В полупроводники, роли электронов, позитронов и фотонов в теории поля заменяются электронами в зона проводимости дыры в валентная полоса, и фононы или колебания кристаллической решетки. Виртуальная частица находится в виртуальное состояние где амплитуда вероятности не сохраняется. Примеры макроскопических виртуальных фононов, фотонов и электронов в случае процесса туннелирования были представлены Гюнтер Нимц[9] и Альфонс А. Штальхофен.[10]

Диаграммы Фейнмана

Диаграмма одночастичного обменного рассеяния

Расчет амплитуды рассеяния в теоретическом физика элементарных частиц требует использования некоторых довольно больших и сложных интегралов по большому количеству переменных. Однако эти интегралы имеют регулярную структуру и могут быть представлены в виде Диаграммы Фейнмана. Диаграммы Фейнмана привлекательны, поскольку они позволяют наглядно представить то, что в противном случае было бы довольно загадочной и абстрактной формулой. В частности, привлекательность отчасти состоит в том, что исходящие части диаграммы Фейнмана могут быть связаны с фактическими, на оболочке частицы. Таким образом, естественно связать и другие линии на диаграмме с частицами, называемыми «виртуальными частицами». Математически они соответствуют пропагаторы появляющиеся на диаграмме.

На соседнем изображении сплошные линии соответствуют реальным частицам (с импульсом p1 и т. д.), а пунктирная линия соответствует виртуальной частице, несущей импульс k. Например, если бы сплошные линии соответствовали электроны взаимодействуя посредством электромагнитное взаимодействие пунктирная линия соответствует обмену виртуальным фотон. В случае взаимодействия нуклоны, пунктирная линия будет виртуальным пион. На случай, если кварки взаимодействуя посредством сильная сила, пунктирная линия будет виртуальным глюон, и так далее.

Однопетлевая диаграмма с фермионным пропагатором

Виртуальные частицы могут быть мезоны или векторные бозоны, как в примере выше; они также могут быть фермионы. Однако, чтобы сохранить квантовые числа, самые простые диаграммы, включающие обмен фермионами, запрещены. На изображении справа показана допустимая диаграмма, однопетлевая схема. Сплошные линии соответствуют фермионному пропагатору, волнистые линии - бозонам.

Пылесосы

Основные статьи: Квантовая флуктуация, QED вакуум, КХД вакуум, и Состояние вакуума

Формально частица считается собственное состояние из оператор числа частиц а†a, где a - частица оператор аннигиляции и† частица оператор создания (иногда вместе называют лестничные операторы ). Во многих случаях оператор числа частиц не работает. ездить с Гамильтониан для системы. Это означает, что количество частиц в области пространства не является строго определенной величиной, но, как и другие квантовые наблюдаемые, представлен распределение вероятностей. Поскольку эти частицы не существуют постоянно,[требуется разъяснение ] они называются виртуальные частицы или колебания вакуума из энергия вакуума. В определенном смысле их можно понять как проявление принцип неопределенности время-энергия 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 нельзя непосредственно наблюдать в лаборатории, они оставляют наблюдаемый эффект: энергия нулевой точки приводит к силам, действующим на подходящие металлические пластины или диэлектрики.[13] С другой стороны, эффект Казимира можно интерпретировать как релятивистская сила Ван-дер-Ваальса.[14]

Производство пар

Основная статья: Производство пар

Виртуальные частицы часто описываются как парные, частица и античастица который может быть любым. 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 ускоряющемся точка зрения виртуальные частицы могут казаться действительными ускоряющемуся наблюдателю; это известно как Эффект Унру. Короче говоря, вакуум неподвижной системы отсчета ускоренному наблюдателю кажется теплым газ реальных частиц в термодинамическое равновесие.

Другой пример - образование пар в очень сильных электрических полях, иногда называемых распад вакуума. Если, например, пара атомные ядра сливаются, чтобы на короткое время образовать ядро ​​с зарядом больше примерно 140 (то есть больше, чем примерно обратное постоянная тонкой структуры, что является безразмерная величина ), напряженность электрического поля будет такой, что будет энергетически выгодно создавать пары позитрон-электрон из вакуума или Море Дирака, когда электрон притягивается к ядру, чтобы аннигилировать положительный заряд. Эта амплитуда образования пары была впервые рассчитана Джулиан Швингер в 1951 г.

По сравнению с реальными частицами

Как следствие квантовой механики неуверенность, 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 отношение массы к оболочке; 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.[нужна цитата ].

Смотрите также

Сноски

  1. ^ «Далеко» с точки зрения отношения длины или диаметра антенны к длине волны.
  2. ^ Электрическая мощность в полях соответственно уменьшается как ​1⁄р4 и ​1⁄р2.
  3. ^ Видеть ближнее и дальнее поле для более подробного обсуждения. Видеть связь ближнего радиуса действия для практических приложений связи ближнего поля.

Рекомендации

  1. ^ Пескин М.Е., Шредер Д.В. (1995). Введение в квантовую теорию поля, Westview Press, ISBN  0-201-50397-2, п. 80.
  2. ^ Мандл, Ф., Шоу, Г. (1984/2002). Квантовая теория поля, John Wiley & Sons, Chichester UK, исправленное издание, ISBN  0-471-94186-7С. 56, 176.
  3. ^ Джегер, Грегг (2019). «Неужели виртуальные частицы менее реальны?» (PDF). Энтропия. 21 (2): 141. Bibcode:2019Entrp..21..141J. Дои:10.3390 / e21020141.
  4. ^ а б c Томсон, Марк (2013). Современная физика элементарных частиц. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1107034266.
  5. ^ Хокинг, Стивен (1998). Краткая история времени (Обновленное и дополненное 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 [u.a.]: Cambridge Univ. Нажмите. Bibcode:2003nqu..book ..... H. ISBN  9780521564571.
  7. ^ Калле, Карлос 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 вакуумные частицы вызывают колебания скорости света». Phys.org. Получено 2017-07-24.
  9. ^ Нимц, Г. (2009). «О виртуальных фононах, фотонах и электронах». Найденный. Phys. 39 (12): 1346–1355. arXiv:0907.1611. Bibcode:2009ФоФ ... 39.1346N. Дои:10.1007 / s10701-009-9356-z. S2CID  118594121.
  10. ^ Stahlhofen, A .; Нимц, Г. (2006). «Эванесцентные моды - это виртуальные фотоны». Europhys. Латыш. 76 (2): 198. Bibcode:2006ЭЛ ..... 76..189С. Дои:10.1209 / epl / i2006-10271-9.
  11. ^ Раймонд, Дэвид Дж. (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. ^ Чой, Чарльз К. (13 февраля 2013 г.). «Вакуум может давать вспышки света». Природа. Дои:10.1038 / природа.2013.12430. S2CID  124394711. Получено 2 августа 2015.
  13. ^ Ламбрехт, Астрид (сентябрь 2002 г.). «Эффект Казимира: сила из ничего». Мир физики. 15 (9): 29–32. Дои:10.1088/2058-7058/15/9/29.
  14. ^ Джаффе, Р. Л. (12 июля 2005 г.). «Эффект Казимира и квантовый вакуум». Физический обзор D. 72 (2): 021301. arXiv:hep-th / 0503158. Bibcode:2005PhRvD..72b1301J. Дои:10.1103 / PhysRevD.72.021301. S2CID  13171179.

внешняя ссылка