Virtuel partikel

En virtuel partikel er et objekt, der er karakteriseret ved næsten alle de kvantetal, der er iboende i en af de reelle elementarpartikler , men hvor den iboende forbindelse mellem partiklens energi og momentum er brudt. Begrebet virtuelle partikler opstod i kvantefeltteorien . Sådanne partikler, der er blevet født, kan ikke "flyve væk til det uendelige", de skal enten absorberes af en partikel eller henfalde til rigtige partikler. De grundlæggende vekselvirkninger kendt i fysik foregår i form af en udveksling af virtuelle partikler.

I kvantefeltteorien indtager begreberne virtuelle partikler og virtuelle processer en central plads. Alle vekselvirkninger af partikler og deres transformation til andre partikler i kvantefeltteorien betragtes normalt som processer, der nødvendigvis ledsages af skabelse og absorption af virtuelle partikler af frie reelle partikler [1] . Dette er et yderst praktisk sprog til at beskrive interaktion. Især besværligheden ved beregningsprocesser reduceres kraftigt, hvis reglerne for skabelse, udslettelse og udbredelse af disse virtuelle partikler ( Feynman-regler ) er foreløbigt udarbejdet, og processen afbildes grafisk ved hjælp af Feynman-diagrammer .

Opdelingen af partikler i reelle og virtuelle har kun en nøjagtig betydning i fravær af et stærkt ydre felt og er blottet for unikhed i områder af rum-tid, hvor det ydre felt er stærkt [2] .

Karakteristiske træk ved virtuelle partikler

Den vigtigste og definerende forskel mellem en virtuel partikel og en ægte er krænkelsen af forholdet kendt fra den specielle relativitetsteori , som relaterer energien og momentum af en virkelig partikel: $E$ ${\vec p}$

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

her er momentummodulet, er partiklens masse , er lysets hastighed i vakuum. For en virtuel partikel holder denne relation op med at være gyldig [3] . Sådanne partikler kan kun eksistere i meget kort tid og kan ikke registreres af klassiske måleinstrumenter, for eksempel tællere for elementarpartikler [4] . $s$ $m$ $c$

Med hensyn til fotoner ligger forskellen mellem virtuelle og rigtige fotoner også i det faktum, at for en rigtig foton kan projektionen af dens spin på bevægelsesretningen kun tage værdier (i relativistiske enheder ), og for en virtuel foton , en værdi er også mulig [5] . $\pm 1$ $0$

Behovet for konceptet virtuelle partikler opstår på grund af det faktum, at i henhold til princippet om bølge-partikel-dualitet og princippet om kortdistancehandling , består enhver interaktion mellem elementarpartikler i udveksling af kvanter af feltet, der sikrer dette interaktion. Den elektromagnetiske vekselvirkning mellem en elektron og en proton i et brintatom består således i udvekslingen af fotoner mellem en elektron og en proton. Men en fri elektron kan hverken udsende eller absorbere en foton. Årsagen er, at i den referenceramme, hvor elektronen var i hvile før emissionen af en foton, før emissionen af den sidstnævnte, er elektronens energi , og efter emissionen er energien i elektronsystemet og foton er givet af udtrykket $mc^{2}$

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

en sådan proces er forbudt i henhold til loven om energibevarelse . Derfor menes det, at under udvekslingen af virtuelle fotoner overfører sidstnævnte momentum, men overfører ikke energi.

Nogle gange bliver begrebet "virtuelle partikler" for klarhedens skyld forklaret på en lidt anden måde. De siger nemlig, at i samspilsprocessen er loven om energibevarelse opfyldt med en eller anden fejl. Dette er ikke i modstrid med kvantemekanikken : ifølge usikkerhedsrelationen tillader en begivenhed, der varer en begrænset tidsperiode, ikke at bestemme energien med en nøjagtighed over en vis grænse. Groft sagt ”låner” mellempartikler energi i kort tid. I dette tilfælde, i samspilsprocessen, kan almindelige partikler fødes og forsvinde, kun med en lille overtrædelse af loven om bevarelse af energi.

Partikler tager en relativistisk invariant størrelse som et mål for virtualitet , og det kan tage både positive og negative værdier. Området af værdier, for hvilket virtualiteten er nul, kaldes partiklens masseoverflade (eller masseskal ). $Q^{2}\,=\,E^{2}-p^{2}c^{2}-m^{2}c^{4},$ $Q^{2}$ $E$ $s$ $Q^{2}$

En virtuel partikels energimomentvektor kan således være rumlignende. Derfor kan den samme proces, der involverer en virtuel partikel for observatører i forskellige referencerammer, se anderledes ud: fra én observatørs synspunkt kan processen være udsendelsen af en virtuel partikel, og fra en anden observatørs synspunkt, den samme proces vil være absorptionen af en virtuel antipartikel [6] .

For virtuelle partikler er konceptet om en klassisk bane meningsløst . De absorberes, før de bevæger sig en afstand, der er større end usikkerheden på deres position [7] . En analog til processerne med emission og absorption af virtuelle partikler er processen med lysindtrængning i et tæt medium med total intern refleksion i klassisk optik [7] . Antallet af virtuelle partikler er ikke Lorentz-invariant på grund af det faktum, at de forsvinder på et tidspunkt og samtidig optræder på et andet [7] .

Hastigheden af en virtuel partikel har ingen direkte fysisk betydning. Dette følger af, at en partikels hastighed bestemmes gennem dens momentum , energi og lysets hastighed af relationen [8] . For eksempel, for momentum og energi af virtuelle fotoner, som udveksles mellem en proton og en elektron i et brintatom, har vi: Når disse værdier substitueres i formlen for hastigheden, opnås en uendelig stor værdi. $v$ $s$ $E$ $c$ $v={\frac {pc^{{2}}}{E}}$ $p>0,E=0.$ $v={\frac {pc^{{2}}}{E}}$

Massen af en virtuel partikel har heller ingen direkte fysisk betydning. Dette følger af forholdet mellem masse , energi , momentum og lysets hastighed [9] . For eksempel, for virtuelle fotoner, der udveksles mellem en proton og en elektron i et brintatom, er værdierne af og som følger: Når disse værdier er substitueret i formlen, viser partiklens masse at være imaginær. $m$ $E$ $s$ $c$ $m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}$ $s$ $E$ $p>0,E=0.$ $m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}$ $m$

Virtuel proces

En proces, der involverer virtuelle partikler, kaldes en virtuel proces . I virtuelle processer er der begrænsninger forbundet med bevarelsen af elektrisk ladning , spin , fremmedhed , baryon , lepton og andre ladninger, men der er ingen begrænsninger på energi og momentum [10] [1] . Metoden til Feynman-diagrammer [11] bruges til at beskrive virtuelle processer . Med meget sjældne undtagelser henviser interne linjer i Feynman-diagrammer altid til virtuelle partikler [12] .

En virtuel partikel kan opstå ikke kun i processen med udveksling mellem rigtige partikler, men også i processen med absorption af en virkelig partikel af en anden virkelig partikel. Compton-effekten forklares ved absorptionen af en rigtig foton af en rigtig elektron med dannelsen af en virtuel elektron og det efterfølgende henfald af den virtuelle elektron til en rigtig elektron og en foton med forskellige bevægelsesretninger og energi [4] .

Hvis massen af den virtuelle partikel

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

adskiller sig fra massen af en fri partikel: , i henhold til usikkerhedsrelationerne mellem tid og energi [13] kan denne virtuelle partikel kun eksistere i en periode I løbet af denne tid kan den flyve en afstand . Jo større partiklens virtualitet , jo kortere tid sker en virtuel proces også ved mindre afstande [14] . $\Delta {m}$ ${\displaystyle |m_{v}-m|\,=\,\Delta {m))$ $\tau \leq {\frac {\hbar }{c^{2}\Delta {m}}}.$ $r\leq {\frac {\hbar }{c\Delta {m}}}.$

Når elementarpartikler udveksles af et virtuelt kvantefelt af et felt med en masse, er usikkerheden af energien i en mellemliggende virtuel tilstand givet af uligheden . Den afstand, som et kvante rejste, er relateret til levetiden af den virtuelle tilstand ved relationen forholdet mellem usikkerheder mellem levetiden af en virtuel tilstand og usikkerheden af dens energi ser ud som passeret af det virtuelle kvante, på dets masse: $m$ $\Delta E\geqslant mc^{2}.$ $r,$ $\Delta t$ $r\approx v\Delta t.$ $\Delta t$ $\Delta E$ $\Delta E\Delta t\approx \hbar .$

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

Det følger heraf, at afstanden for virtuel interaktion ikke overstiger Compton -bølgelængden af kvanten - bæreren for interaktion [15] .

For felter med nul-masse bærerkvanter, såsom elektromagnetiske og formodentlig gravitationsinteraktioner , er Compton-bølgelængden af bærerkvantumet og dermed rækkevidden ikke begrænset [16] . Tværtimod er Compton-bølgelængden af bærerkvantumet, og dermed rækkevidden, begrænset [18] for felter med bærerkvanter med en masse, der ikke er nul - såsom den svage vekselvirkning , stærk vekselvirkning [17 ] .

Eksempler på virtuelle processer

Processen med udveksling af virtuelle fotoner af en elektron og en proton i et atom. Som et resultat af denne proces ændres elektronens energi ikke, kun retningen af dens momentum ændres. For en fri partikel skal relationen være gyldig , men for en virtuel foton er den ikke opfyldt. Lad os finde værdien af fotonens virtualitet For kvantebæreren - foton . En foton bærer momentum og dens energi . Derfor : [19] . ${\displaystyle E^{2}-p^{2}c^{2}=m^{2}c^{4))$ $Q^{2}\,=\,E^{2}-p^{2}c^{2}-m^{2}c^{4}.$ $m=0$ $p\neq 0$ $E=0$ $Q^{2}<0$ $Q^{2}=E^{2}-p^{2}c^{2}=-p^{2}c^{2}<0$
Processen med at udveksle virtuelle fotoner mellem viklingerne på en elektrisk transformer . Elektricitet overføres fra en vikling af transformeren til en anden af virtuelle fotoner med energi ( er frekvensen af vekselstrømmen) og med en bølgelængde i størrelsesordenen af størrelsen af mellemrummet mellem transformerens viklinger. En bølgeimpuls af denne længde overstiger impulsen af en fri bølge med en frekvens på Hz med flere størrelsesordener, da en fri bølge af en sådan frekvens har en bølgelængde på omkring 1000 km [20] . $\hbar \omega$ $\omega$ $\omega=50$
Processen med fremkomst og forsvinden af virtuelle elektron-positron-par nær en elektron, i afstande af størrelsesordenen Compton-længden af en elektron ( vakuumpolarisering ) [21]
Nukleoner er omgivet af virtuelle pi-mesoner , som er et resultat af virtuelle processer: , , , [22] . ${\displaystyle p\rightleftarrows n+\pi ^{+))$ $n\rightleftarrows p+\pi ^{-}$ ${\displaystyle p\rightleftarrows p+\pi ^{0))$ ${\displaystyle n\rightleftarrows n+\pi ^{0))$

Effekter forklaret med virtuelle partikler

Følgende effekter forklares ofte af tilstedeværelsen af virtuelle partikler:

Spontan emission af en foton under henfaldet af et exciteret atom eller kerne; et sådant henfald er umuligt ifølge den almindelige kvantefysiks love (da de exciterede tilstande er de nøjagtige stationære tilstande i Schrödinger-ligningen). Det forklares ved atomets vekselvirkning med nul-oscillationer af det elektromagnetiske felt i vakuum [23] .
Casimir-effekten , som består i den observerede gensidige tiltrækning eller frastødning af uladede ikke-magnetiske legemer under påvirkning af kvanteudsving i vakuum .
Vakuumpolarisering , som involverer generering af et partikel-antipartikel-par eller " vakuum-henfald ", såsom den spontane generering af et elektron-positron-par .
Hawking-stråling , som angiveligt genereres ved begivenhedshorisonten for sorte huller .
Unruh- effekten er en effekt svarende til Hawking-stråling, men observeret når partikler accelereres.
Compton effekt .
Eksistensen af et negativt magnetisk moment af neutronen og den unormale værdi af protonens magnetiske moment forklares af den virtuelle -mesons orbitale bevægelse dannet som et resultat af den virtuelle proces og orbitalbevægelsen af den dannede virtuelle -meson som et resultat af den virtuelle proces [22] . $\pi ^{{-}}$ $n\rightleftarrows p+\pi ^{-}$ ${\displaystyle \pi ^{+))$ ${\displaystyle p\rightleftarrows n+\pi ^{+))$

Fysisk betydning

Er virtuelle partikler og processer virkelige eller repræsenterer de en bekvem metode til matematisk beskrivelse af virkeligheden?

Der er to modsatte svar på dette spørgsmål.

Et svar på dette spørgsmål hævder, at virtuelle partikler mere er et matematisk fænomen end en fysisk virkelighed. Faktisk, i de nøjagtige udtryk for processerne for interaktion mellem virkelige partikler, optræder ingen virtuelle partikler i kvantefeltteorien . Hvis vi derimod forsøger at simplificere det nøjagtige udtryk i form af forstyrrelsesteori ved at udvide det til en serie i form af interaktionskonstanten ( en lille parameter i teorien), så opstår et uendeligt sæt af termer. Hvert af medlemmerne af denne serie ser ud , som om der i vekselvirkningsprocessen skabes og forsvinder objekter, der har kvantetal af rigtige partikler. Disse objekter forplanter sig imidlertid i rummet ifølge en lov, der er forskellig fra virkelige partikler, og derfor, hvis de tolkes som emission og absorption af en partikel, så vil det være nødvendigt at acceptere, at forbindelsen mellem energi og momentum ikke er opfyldt for dem. Virtuelle partikler opstår således kun, når vi forenkler det oprindelige udtryk på en bestemt måde. Begrebet virtuelle partikler opstod ikke på grundlag af eksperimentelle fakta, men var afledt af kvantefysikkens matematiske apparat. Derfor er dette et rent spekulativt koncept for matematiske beregninger [24] .

Virtuelle processer foregår i tidsintervaller af størrelsesordenen sekunder, og sådanne processer kan på grund af usikkerhedsforholdet for energi og tid i princippet ikke observeres. Virtuelle partikler og processer er således "uobserverbare" og har ingen fysisk virkelighed [24] . $10^{{-24}}$

Virtuelle partikler er udstyret med egenskaber, der ikke har nogen fysisk betydning, såsom negativ og imaginær masse [24] .

Virtuelle processer udføres i strid med bevarelseslovene og kan derfor ikke beskrives af klassisk fysik, da enhver reel proces i klassisk fysik sker i overensstemmelse med bevarelseslovene [24] .

Tilhængere af et andet synspunkt hævder, at begrebet virtuelle partikler og virtuelle processer har et objektivt indhold, der afspejler naturfænomener.

Umuligheden af at observere virtuelle partikler i måleapparater modbeviser ikke deres objektive eksistens. Du kan skabe virtuelle partikler, bruge dem til at påvirke andre partikler, påvirke dem og gøre dem til rigtige partikler [25] .

Der er en række fysiske beviser for den objektive eksistens af virtuelle partikler [26] .

Virtuelle pioner omkring nukleoner afbøjer hurtige elektroner.
Virtuelle fotoner forårsager spontane overgange af elektroner i et atom fra et højere til et lavere energiniveau og et lammeskifte af energiniveauer i brintatomet.
Virtuelle partikler kan blive til virkelige partikler på grund af eksterne (for eksempel, når en elektron accelereres, bliver virtuelle fotoner til virkelige [22] ) eller interne (for eksempel under -henfald bliver virtuelle elektroner og antineutrinoer til rigtige ). $\beta$
Når virtuelle partikler absorberes, bliver rigtige partikler til andre rigtige partikler (for eksempel bliver en rigtig neutron, der absorberer en virtuel pion, til en rigtig proton).
Virtuelle partikler bliver til virkelige, når de kommunikerer til det system, de befinder sig i, noget energi. For eksempel, når der gives tilstrækkelig energi til nukleoner, bliver de virtuelle pi-mesoner , der omgiver dem , til rigtige [22] .
Virtuelle partikler i rigtige partikler bestemmer deres egenskaber (for eksempel bestemmer strømme af virtuelle mesoner de magnetiske momenter af nukleoner).
Virtuelle partikler genererer helt rigtige felter (for eksempel nukleare, elektromagnetiske).
Virtuelle partikler er i stand til at overføre energi over makroskopiske afstande, som for eksempel under driften af en elektrisk transformer eller under kernemagnetisk resonans [20] .

Noter

↑ 1 2 Mikrokosmos fysik, 1980 , s. 132.
↑ Novikov, 1986 , s. 191.
↑ Berestetsky, Lifshits, Pitaevsky, 1980 , s. 53, 351-352.
↑ 1 2 Mikrokosmos fysik, 1980 , s. 133.
↑ Berestetsky, Lifshits, Pitaevsky, 1980 , s. 44, 352.
↑ Shirokov, 1972 , s. 315.
↑ 1 2 3 Thirring, 1964 , s. 25.
↑ Shirokov, 1972 , s. 16.
↑ Shirokov, 1972 , s. femten.
↑ Shirokov, 1972 , s. 303.
↑ Shirokov, 1972 , s. 304.
↑ Shirokov, 1972 , s. 306.
↑ Landau L. D. , Lifshits E. M. . Kvantemekanik (ikke-relativistisk teori). 4. udg. — M .: Nauka , 1989. — 768 s. — ( Landau L.D. , Lifshits E.M. Theoretical Physics , bind III). - ISBN 5-02-014421-5 . - S. 193.
↑ Shirokov, 1972 , s. 311.
↑ Nishijima, 1965 , s. femten.
↑ Frisch, 1966 , s. 98.
↑ Malyarov V.V. Grundlæggende om teorien om atomkernen. - M., Fizmatgiz, 1959. - s. 195-200
↑ Frisch, 1966 , s. 104.
↑ Okun L. B. Elementær introduktion til elementær partikelfysik, 3. udg., M., Fizmatlit , 2009, 128 s., ISBN 978-5-9221-1070-9
↑ 1 2 Shirokov, 1972 , s. 318.
↑ Thirring, 1964 , s. 23.
↑ 1 2 3 4 Savelyev, I. V. Kursus i generel fysik. — M .: Nauka, 1987. — V. 3: Kvanteoptik. Atomfysik. Faststoffysik. Atomkernens og elementarpartiklernes fysik. — S. 240–244.
↑ A. B. Migdal , V. P. Krainov Approximate methods of quantum mechanics, Moskva: Nauka, 1966, 4. Estimates in quantum electrodynamics. Nul svingninger af det elektromagnetiske felt, s. 47-50
↑ 1 2 3 4 Gott, 1972 , s. 180.
↑ Gott, 1972 , s. 181.
↑ Gott, 1972 , s. 182.

Litteratur

Berestetsky V. B. , Lifshits E. M. , Pitaevsky L. P. . Kvanteelektrodynamik. 2. udg. — M .: Nauka , 1980. — 704 s. — ( Landau L.D. , Lifshits E.M. Theoretical Physics , bind IV).
Gott V. S. . Moderne fysiks filosofiske spørgsmål. - M . : Højere skole , 1972. - 416 s.
Myakishev G. Ya . Virtuelle partikler // Mikroverdenens fysik / Red. udg. D. V. Shirkova . - M .: Soviet Encyclopedia , 1980. - 528 s. - S. 132-133.
Nishijima K. fundamentale partikler. — M .: Mir , 1965. — 462 s.
Novikov, I. D. Fysik af sorte huller / I. D. Novikov, V. P. Frolov. — M .: Nauka , 1986. — 328 s.
Frisch D., Thorndike A. . Elementære partikler. — M .: Atomizdat , 1966. — 151 s.
Shirokov Yu. M. , Yudin N. P. . Kernefysik. — M .: Nauka , 1972. — 670 s.
Virtuelle partikler - artikel fra Encyclopedia of Physics
Walter E. Thirring . Principper for kvanteelektrodynamik. - M . : Højere skole, 1964. - 226 s.