Virtuální částice

Virtuální částice je objekt, který je charakterizován téměř všemi kvantovými čísly vlastní jedné ze skutečných elementárních částic , ale u kterého je přerušeno vlastní spojení mezi energií a hybností částice. Koncept virtuálních částic pochází z kvantové teorie pole . Takové částice poté, co se zrodily, nemohou „odletět do nekonečna“, musí být buď absorbovány nějakou částicí, nebo se rozpadnout na skutečné částice. Základní interakce známé ve fyzice probíhají ve formě výměny virtuálních částic.

V kvantové teorii pole zaujímají ústřední místo koncepty virtuálních částic a virtuálních procesů. Veškeré interakce částic a jejich přeměna na jiné částice jsou v kvantové teorii pole obvykle považovány za procesy, které jsou nutně doprovázeny tvorbou a absorpcí virtuálních částic volnými reálnými částicemi [1] . Toto je extrémně pohodlný jazyk pro popis interakce. Zejména těžkopádnost výpočtových procesů se prudce sníží, pokud jsou předběžně vypracována pravidla pro tvorbu, zničení a šíření těchto virtuálních částic ( Feynmanova pravidla ) a proces je znázorněn graficky pomocí Feynmanových diagramů .

Rozdělení částic na reálné a virtuální má přesný význam pouze při absenci silného vnějšího pole a postrádá jedinečnost v oblastech časoprostoru, kde je vnější pole silné [2] .

Charakteristické rysy virtuálních částic

Hlavním a určujícím rozdílem mezi virtuální částicí a skutečnou částicí je porušení vztahu známého ze speciální teorie relativity , která dává do souvislosti energii a hybnost reálné částice: $E$ ${\vec p}$

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

zde je modul hybnosti, je hmotnost částice, je rychlost světla ve vakuu. Pro virtuální částici přestává tento vztah platit [3] . Takové částice mohou existovat jen velmi krátkou dobu a klasické měřicí přístroje, např. čítače elementárních částic , je nezaznamenají [4] . $p$ $m$ $C$

U fotonů spočívá rozdíl mezi virtuálními a skutečnými fotony také v tom, že pro skutečný foton může projekce jeho rotace na směr pohybu nabývat pouze hodnot (v relativistických jednotkách ), a pro virtuální foton , je možná i hodnota [5] . $\pm 1$ $0$

Potřeba konceptu virtuálních částic vyvstává z toho důvodu, že podle principu vlnově-částicové duality a principu působení krátkého dosahu jakákoliv interakce mezi elementárními částicemi spočívá ve výměně kvant pole, které toto zajišťuje. interakce. Elektromagnetická interakce elektronu a protonu v atomu vodíku tedy spočívá ve výměně fotonů mezi elektronem a protonem. Ale volný elektron nemůže foton ani emitovat, ani absorbovat. Důvodem je to, že v referenčním rámci, ve kterém byl elektron v klidu před emisí fotonu, před emisí fotonu, je energie elektronu , a po emisi energie systému elektronu a elektronu. foton je dán výrazem $mc^{2}$

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

takový proces je zakázán zákonem zachování energie . Proto se má za to, že během výměny virtuálních fotonů tyto přenášejí hybnost, ale nepřenášejí energii.

Někdy je kvůli srozumitelnosti pojem „virtuální částice“ vysvětlován trochu jinak. Říká se totiž, že v procesu interakce je s určitou chybou splněn zákon zachování energie . To není v rozporu s kvantovou mechanikou : podle vztahu nejistoty událost trvající konečnou dobu neumožňuje určit energii s přesností nad určitou mez. Zhruba řečeno, střední částice si krátkodobě „půjčují energii“. V tomto případě se v procesu interakce mohou zrodit a zmizet obyčejné částice, pouze s mírným porušením zákona zachování energie.

Částice berou jako míru virtuality relativisticky neměnnou veličinu a ta může nabývat kladných i záporných hodnot. Rozsah hodnot, pro které je virtualita nula, se nazývá hmotnostní povrch (nebo hmotnostní obal ) částice. $Q^{2}\,=\,E^{2}-p^{2}c^{2}-m^{2}c^{4},$ $Q^{2}$ $E$ $p$ $Q^{2}$

Vektor energie-hybnosti virtuální částice tedy může být prostorový . Proto tentýž proces zahrnující virtuální částici pro pozorovatele v různých vztažných soustavách může vypadat odlišně: z pohledu jednoho pozorovatele může být procesem emise virtuální částice a z pohledu jiného pozorovatele, stejným procesem bude absorpce virtuální antičástice [6] .

Pro virtuální částice je koncept klasické trajektorie bezvýznamný . Jsou absorbovány dříve, než se posunou o vzdálenost větší, než je nejistota jejich polohy [7] . Obdobou procesů emise a absorpce virtuálních částic je v klasické optice proces pronikání světla do hustého prostředí s totálním vnitřním odrazem [7] . Počet virtuálních částic není Lorentz invariantní , protože v jednom bodě mizí a v jiném se současně objevují [7] .

Rychlost virtuální částice nemá přímý fyzický význam. Vyplývá to ze skutečnosti, že rychlost částice je určena prostřednictvím její hybnosti , energie a rychlosti světla vztahem [8] . Například pro hybnost a energii virtuálních fotonů, které se vyměňují mezi protonem a elektronem v atomu vodíku, máme: Když se tyto hodnoty dosadí do vzorce pro rychlost, získá se nekonečně velká hodnota. $proti$ $p$ $E$ $C$ $v={\frac {pc^{{2}}}{E}}$ $p>0,E=0.$ $v={\frac {pc^{{2}}}{E}}$

Hmotnost virtuální částice také nemá žádný přímý fyzikální význam. To vyplývá ze vztahu mezi hmotností , energií , hybností a rychlostí světla [9] . Například pro virtuální fotony vyměňované mezi protonem a elektronem v atomu vodíku jsou hodnoty a následující: Když se tyto hodnoty dosadí do vzorce, hmotnost částice se ukáže jako imaginární. $m$ $E$ $p$ $C$ $m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}$ $p$ $E$ $p>0,E=0.$ $m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}$ $m$

Virtuální proces

Proces zahrnující virtuální částice se nazývá virtuální proces . Ve virtuálních procesech existují omezení spojená se zachováním elektrického náboje , spinu , podivnosti , baryonu , leptonu a dalších nábojů, ale neexistují žádná omezení energie a hybnosti [10] [1] . K popisu virtuálních procesů se používá metoda Feynmanových diagramů [11] . Až na velmi vzácné výjimky vnitřní čáry ve Feynmanových diagramech vždy odkazují na virtuální částice [12] .

Virtuální částice může vzniknout nejen v procesu výměny mezi reálnými částicemi, ale také v procesu absorpce jedné skutečné částice jinou skutečnou částicí. Comptonův jev se vysvětluje absorpcí reálného fotonu reálným elektronem se vznikem virtuálního elektronu a následným rozpadem virtuálního elektronu na reálný elektron a foton s různými směry pohybu a energie [4] .

Pokud je hmotnost virtuální částice

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

se liší od hmotnosti volné částice: , pak podle vztahů neurčitosti mezi časem a energií [13] může tato virtuální částice existovat pouze po určitou dobu Během této doby může uletět vzdálenost Čím větší je virtualita částice, tím kratší dobu, po kterou virtuální proces probíhá i na menší vzdálenosti [14] . $\Delta {m}$ ${\displaystyle |m_{v}-m|\,=\,\Delta {m))$ $\tau \leq {\frac {\hbar }{c^{2}\Delta {m}}}.$ $r\leq {\frac {\hbar }{c\Delta {m}}}.$

Při výměně elementárních částic virtuálním kvantem pole o hmotnosti je nejistota energie přechodného virtuálního stavu dána nerovností Vzdálenost , kterou kvantum urazí, souvisí s dobou života virtuálního stavu vztahem The poměr nejistot mezi dobou života virtuálního stavu a nejistotou jeho energie vypadá, jako by prošel virtuálním kvantem na jeho hmotě: $m$ $\Delta E\geqslant mc^{2}.$ $r,$ $\Delta t$ $r\approx v\Delta t.$ $\Delta t$ $\Delta E$ $\Delta E\Delta t\přibližně \hbar .$

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

Z toho vyplývá, že vzdálenost virtuální interakce nepřesahuje Comptonovu vlnovou délku kvanta - nositele interakce [15] .

Pro pole s nulovými nosnými kvanty, jako jsou elektromagnetické a pravděpodobně gravitační interakce, není Comptonova vlnová délka nosného kvanta, a tedy ani rozsah, omezena [16] . Naopak pro pole s nosnými kvanty s nenulovou hmotností – jako je slabá interakce , silná interakce [17] – je Comptonova vlnová délka nosného kvanta, a tedy i rozsah, omezena [18] .

Příklady virtuálních procesů

Proces výměny virtuálních fotonů elektronu a protonu v atomu. V důsledku tohoto procesu se energie elektronu nemění, mění se pouze směr jeho hybnosti. Pro volnou částici musí vztah platit , ale pro virtuální foton není splněn. Pojďme najít hodnotu virtuality fotonu pro kvantový nosič - foton . Foton nese hybnost a jeho energii . Proto : [19] . ${\displaystyle E^{2}-p^{2}c^{2}=m^{2}c^{4))$ $Q^{2}\,=\,E^{2}-p^{2}c^{2}-m^{2}c^{4}.$ $m=0$ $p\neq 0$ $E=0$ $Q^{2}<0$ $Q^{2}=E^{2}-p^{2}c^{2}=-p^{2}c^{2}<0$
Proces výměny virtuálních fotonů mezi vinutími elektrického transformátoru . Elektřina je přenášena z jednoho vinutí transformátoru do druhého virtuálními fotony s energií ( je frekvence střídavého proudu) a s vlnovou délkou řádově velikosti mezery mezi vinutími transformátoru. Vlnový impuls této délky převyšuje impuls volné vlny o frekvenci Hz o několik řádů, protože volná vlna takové frekvence má vlnovou délku asi 1000 km [20] . $\hbar \omega$ $\omega$ $\omega=50$
Proces objevování a mizení virtuálních párů elektron-pozitron v blízkosti elektronu, ve vzdálenostech řádově Comptonovy délky elektronu ( vakuová polarizace ) [21]
Nukleony jsou obklopeny virtuálními pi-mezony , které jsou výsledkem virtuálních procesů: , , , [22] . ${\displaystyle p\rightleftarrows n+\pi ^{+))$ $n\rightleftarrows p+\pi ^{-}$ ${\displaystyle p\rightleftarrows p+\pi ^{0))$ ${\displaystyle n\rightleftarrows n+\pi ^{0))$

Efekty vysvětlené pomocí virtuálních částic

Následující efekty jsou často vysvětlovány přítomností virtuálních částic:

Spontánní emise fotonu během rozpadu excitovaného atomu nebo jádra; takový rozpad je podle zákonů běžné kvantové fyziky nemožný (protože excitované stavy jsou přesné stacionární stavy Schrödingerovy rovnice). Vysvětluje se interakcí atomu s nulovými oscilacemi elektromagnetického pole ve vakuu [23] .
Casimirův jev , který spočívá v pozorovaném vzájemném přitahování nebo odpuzování nenabitých nemagnetických těles působením kvantových fluktuací ve vakuu .
Polarizace vakua , která zahrnuje generování páru částice-antičástice nebo „ rozpad vakua “, jako je spontánní generování páru elektron-pozitron .
Hawkingovo záření , které se údajně generuje na horizontu událostí černých děr .
Unruhův efekt je efekt podobný Hawkingovu záření, ale pozorovaný při urychlování částic.
Comptonův efekt .
Existence záporného magnetického momentu neutronu a anomální hodnota magnetického momentu protonu jsou vysvětleny orbitálním pohybem virtuálního -mezonu vzniklého v důsledku virtuálního procesu a orbitálním pohybem vytvořeného virtuálního -mezonu jako výsledek virtuálního procesu [22] . $\pi ^{{-}}$ $n\rightleftarrows p+\pi ^{-}$ ${\displaystyle \pi ^{+))$ ${\displaystyle p\rightleftarrows n+\pi ^{+))$

Fyzický význam

Jsou virtuální částice a procesy skutečné nebo představují vhodnou metodu matematického popisu reality?

Na tuto otázku existují dvě opačné odpovědi.

Jedna odpověď na tuto otázku tvrdí, že virtuální částice jsou spíše matematickým fenoménem než fyzickou realitou. V přesných výrazech pro procesy interakce skutečných částic se totiž v kvantové teorii pole neobjevují žádné virtuální částice. Pokud se však pokusíme zjednodušit exaktní vyjádření v termínech poruchové teorie rozšířením do řady z hlediska interakční konstanty ( malý parametr teorie), pak vznikne nekonečná množina termínů. Každý z členů této série vypadá , jako by v procesu interakce vznikaly a mizely objekty, které mají kvantová čísla skutečných částic. Tyto objekty se však v prostoru šíří podle zákona odlišného od skutečných částic, a proto, pokud jsou interpretovány jako emise a pohlcování částice, pak bude nutné připustit, že souvislost mezi energií a hybností není splněna pro jim. Virtuální částice se tedy objevují pouze tehdy, když původní výraz určitým způsobem zjednodušíme. Koncept virtuálních částic nevznikl na základě experimentálních faktů, ale byl odvozen z matematického aparátu kvantové fyziky. Jedná se tedy o čistě spekulativní koncept pro matematické výpočty [24] .

Virtuální procesy probíhají v časových intervalech řádově sekund a takové procesy, kvůli vztahu neurčitosti pro energii a čas, nelze v zásadě pozorovat. Virtuální částice a procesy jsou tedy „nepozorovatelné“ a nemají žádnou fyzickou realitu [24] . $10^{{-24}}$

Virtuální částice jsou obdařeny vlastnostmi, které nemají žádný fyzikální význam, jako je záporná a imaginární hmotnost [24] .

Virtuální procesy jsou prováděny v rozporu se zákony zachování, a proto je klasická fyzika nemůže popsat, protože jakýkoli skutečný proces v klasické fyzice probíhá v souladu se zákony zachování [24] .

Zastánci jiného úhlu pohledu tvrdí, že koncept virtuálních částic a virtuálních procesů má objektivní obsah, který odráží přírodní jevy.

Nemožnost pozorování virtuálních částic v měřicích přístrojích nevyvrací jejich objektivní existenci. Můžete vytvářet virtuální částice, používat je k ovlivňování jiných částic, ovlivňovat je a přeměňovat je ve skutečné částice [25] .

Existuje řada fyzických důkazů objektivní existence virtuálních částic [26] .

Virtuální piony obklopující nukleony vychylují rychlé elektrony.
Virtuální fotony způsobují spontánní přechody elektronů v atomu z vyšší energetické hladiny na nižší a Lambův posun energetických hladin v atomu vodíku.
Virtuální částice se mohou díky vnějším (např. při urychlení elektronu promění virtuální fotony na skutečné [22] ) nebo vnitřní (např. při -rozpadu se virtuální elektrony a antineutrina promění v reálné ). $\beta$
Když jsou virtuální částice absorbovány, skutečné částice se promění v jiné skutečné částice (například skutečný neutron, který pohltí virtuální pion, se změní na skutečný proton).
Virtuální částice se promění ve skutečné, když komunikují se systémem, ve kterém se nacházejí, nějakou energii. Například, když je nukleonům předána dostatečná energie, virtuální pí-mezony , které je obklopují, se změní na skutečné [22] .
Virtuální částice ve skutečných částicích určují jejich vlastnosti (např. proudy virtuálních mezonů určují magnetické momenty nukleonů).
Virtuální částice generují zcela reálná pole (například jaderná, elektromagnetická).
Virtuální částice jsou schopny přenášet energii na makroskopické vzdálenosti, jako např. při provozu elektrického transformátoru nebo při nukleární magnetické rezonanci [20] .

Poznámky

↑ 1 2 Fyzika mikrokosmu, 1980 , str. 132.
↑ Novikov, 1986 , str. 191.
↑ Berestetsky, Lifshits, Pitaevsky, 1980 , s. 53, 351-352.
↑ 1 2 Fyzika mikrokosmu, 1980 , str. 133.
↑ Berestetsky, Lifshits, Pitaevsky, 1980 , s. 44, 352.
↑ Širokov, 1972 , s. 315.
↑ 1 2 3 Thirring, 1964 , str. 25.
↑ Širokov, 1972 , s. 16.
↑ Širokov, 1972 , s. patnáct.
↑ Širokov, 1972 , s. 303.
↑ Širokov, 1972 , s. 304.
↑ Širokov, 1972 , s. 306.
↑ Landau L. D. , Lifshits E. M. . Kvantová mechanika (nerelativistická teorie). 4. vyd. — M .: Nauka , 1989. — 768 s. — ( Landau L.D. , Lifshits E.M. Theoretical Physics , sv. III). - ISBN 5-02-014421-5 . - S. 193.
↑ Širokov, 1972 , s. 311.
↑ Nishijima, 1965 , s. patnáct.
↑ Frisch, 1966 , str. 98.
↑ Malyarov V.V. Základy teorie atomového jádra. - M., Fizmatgiz, 1959. - str. 195-200
↑ Frisch, 1966 , str. 104.
↑ Okun L. B. Elementární úvod do fyziky elementárních částic, 3. vyd., M., Fizmatlit , 2009, 128 s., ISBN 978-5-9221-1070-9
↑ 1 2 Shirokov, 1972 , s. 318.
↑ Thirring, 1964 , str. 23.
↑ 1 2 3 4 Savelyev, I. V. Kurz obecné fyziky. — M .: Nauka, 1987. — V. 3: Kvantová optika. Atomová fyzika. Fyzika pevných látek. Fyzika atomového jádra a elementárních částic. — S. 240–244.
↑ A. B. Migdal , V. P. Krainov Přibližné metody kvantové mechaniky, Moskva: Nauka, 1966, 4. Odhady v kvantové elektrodynamice. Nulové kmity elektromagnetického pole, s. 47-50
↑ 1 2 3 4 Gott, 1972 , str. 180.
↑ Gott, 1972 , str. 181.
↑ Gott, 1972 , str. 182.

Literatura

Berestetsky V.B. , Lifshits E.M. , Pitaevsky L.P. Kvantová elektrodynamika. 2. vyd. — M .: Nauka , 1980. — 704 s. — ( Landau L.D. , Lifshits E.M. Theoretical Physics , sv. IV).
Gott V.S. Filosofické otázky moderní fyziky. - M . : Vyšší škola , 1972. - 416 s.
Myakishev G. Ya . Virtuální částice // Fyzika mikrosvěta / Ed. vyd. D. V. Širková . - M .: Sovětská encyklopedie , 1980. - 528 s. - S. 132-133.
Nishijima K. základní částice. — M .: Mir , 1965. — 462 s.
Novikov, I. D. Fyzika černých děr / I. D. Novikov, V. P. Frolov. — M .: Nauka , 1986. — 328 s.
Frisch D., Thorndike A. . Elementární částice. — M .: Atomizdat , 1966. — 151 s.
Shirokov Yu.M. , Yudin N.P. Nukleární fyzika. — M .: Nauka , 1972. — 670 s.
Virtuální částice - článek z Encyklopedie fyziky
Walter E. Thirring . Principy kvantové elektrodynamiky. - M . : Vyšší škola, 1964. - 226 s.