Particulă virtuală

Понятие о виртуальных частицах возникло в квантовой теории поля .

Toate interacțiunile particulelor și transformarea lor în alte particule în teoria câmpului cuantic sunt de obicei considerate procese care sunt în mod necesar însoțite de crearea și absorbția particulelor virtuale de către particulele reale libere [1] . Acesta este un limbaj extrem de convenabil pentru descrierea interacțiunii. În special, greutatea proceselor de calcul este redusă drastic dacă regulile pentru crearea, anihilarea și propagarea acestor particule virtuale ( regulile Feynman ) sunt întocmite preliminar și procesul este reprezentat grafic folosind diagrame Feynman .

Împărțirea particulelor în real și virtual are o semnificație exactă doar în absența unui câmp extern puternic și este lipsită de unicitate în zonele spațiu-timp în care câmpul extern este puternic [2] .

Caracteristici distinctive ale particulelor virtuale

Основное и определяющее отличие виртуальной частицы от реальной — это нарушение известного из специальной теории относительности соотношения, которое связывает энергию $E$ и импульс ${\vec p}$ реальной частицы:

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

aici este modulul de impuls, este masa particulei, este viteza luminii în vid. Pentru o particulă virtuală, această relație încetează să mai fie valabilă [3] . $p$ $m$ $c$

With regard to photons , the difference between virtual and real photons also lies in the fact that for a real photon, the projection of its spin on the direction of motion can only take values (in relativistic units ), and for a virtual photon , este posibilă și o valoare [5] . $\pm 1$ $0$

The need for the concept of virtual particles arises due to the fact that, according to the principle of wave-particle duality and the principle of short-range action , any interaction between elementary particles consists in the exchange of quanta of the field that ensures this interacţiune. Dar un electron liber nu poate nici emite, nici absorbi un foton. The reason is that in the frame of reference in which the electron was at rest before the emission of a photon, before the emission of the latter, the energy of the electron is , and after the emission, the energy of the system of electron and fotonul este dat de expresia $mc^{2}$

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

un astfel de proces este interzis de legea conservării energiei . Prin urmare, se crede că în timpul schimbului de fotoni virtuali, aceștia din urmă transferă impuls, dar nu transferă energie.

Uneori, de dragul clarității, conceptul de „particule virtuale” este explicat într-un mod ușor diferit. Și anume, ei spun că în procesul de interacțiune legea conservării energiei este îndeplinită cu o oarecare eroare.

Particulele iau o cantitate relativistic invariantă ca măsură a virtualității și pot lua atât valori pozitive, cât și negative. Intervalul de valori pentru care virtualitatea este zero se numește suprafața de masă (sau învelișul de masă ) a particulei. ${\ displaystyle q^{2} \, = \, e^{2} -p^{2} c^{2} -m^{2} c^{4},}$ $Q^{2}$ $E$ $p$ $Q^{2}$

Prin urmare, același proces care implică o particulă virtuală pentru observatori din cadre de referință diferite poate arăta diferit: din punctul de vedere al unui observator, procesul poate fi emisia unei particule virtuale, iar din punctul de vedere al altui observator, the same process will be the absorption of a virtual antiparticle [6] .

Pentru particulele virtuale conceptul de traiectorie clasică este lipsit de sens . Sunt absorbiți înainte de a se deplasa pe o distanță mai mare decât incertitudinea poziției lor [7] .

Скорость виртуальной частицы не имеет непосредственного физического смысла. $v$ $p$ $E$ $c$ $v={\frac {buc^{{2}}}{E}}$ $p>0,E=0.$ $v={\frac {buc^{{2}}}{E}}$

De exemplu, pentru fotonii virtuali schimbați între un proton și un electron într-un atom de hidrogen, valorile și sunt următoarele: Când aceste valori sunt înlocuite în formulă, masa particulei se dovedește a fi imaginară. $m$ $E$ $p$ $c$ ${\ displaystyle m^{2} c^{4} = e^{2} -p^{2} c^{2}}$ $p$ $E$ $p>0,E=0.$ ${\ displaystyle m^{2} c^{4} = e^{2} -p^{2} c^{2}}$ $m$

Un proces care implică particule virtuale se numește proces virtual . Metoda diagramelor Feynman [11] este utilizată pentru a descrie procesele virtuale . Cu excepții foarte rare, liniile interne din diagramele Feynman se referă întotdeauna la particule virtuale [12] .

O particulă virtuală poate apărea nu numai în procesul de schimb între particule reale, ci și în procesul de absorbție a unei particule reale de către o altă particulă reală. Efectul Compton se explică prin absorbția unui foton real de către un electron real cu formarea unui electron virtual și dezintegrarea ulterioară a electronului virtual într-un electron real și un foton cu direcții diferite de mișcare și energie [4] .

Dacă masa particulei virtuale

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

отличается на от массы свободной частицы: , то, согласно соотношениям неопределённости между временем и энергией [13] , эта виртуальная частица может существовать лишь в течение промежутка времени За это время она может пролететь расстояние Таким образом, чем больше виртуальность частицы, тем более короткое время происходит виртуальный процесс и на более малых расстояниях [14] . $\ Delta {m}$ ${\ displaystyle | m_ {v} -m | \, = \, \ delta {m))$ ${\ displaystyle \ tau \ leq {\ frac {\ hbar} {c^{2} \ delta {m}}}.}$ ${\ displaystyle r \ leq {\ frac {\ hbar} {c \ delta {m}}}.}$

При обмене элементарных частиц виртуальным квантом поля с массой неопределённость энергии промежуточного виртуального состояния даётся неравенством Расстояние пройденное квантом, связано с временем жизни виртуального состояния соотношением Соотношение неопределённостей между временем жизни виртуального состояния и неопределённостью его энергии выглядит как Используя эти три формулы, можно найти зависимость расстояния, пройденного виртуальным квантом, от его массы: $m$ ${\ displaystyle \ delta e \ geqslant mc^{2}.}$ ${\ displaystyle r,}$ $\Delta t$ ${\ displaystyle r \ aprox v \ delta t.}$ $\Delta t$ $\Delta E$ ${\ displaystyle \ delta e \ delta t \ aprox \ hbar.}$

{\ displaystyle r \ aprox v \ delta t \ aprox {\ frac {v \ hbar} {\ delta e)) \ leqslant {\ frac {v \ hbar} {mc^{2))} \ leqslant {\ frac { \ hbar} {mc}} \,.}

Отсюда следprezetament, что расстояние виртуального заи§доействия не превышает комтианана 15а деа д д в ize кааа кcomоана п дilia деезаа д 15

Pentru câmpurile cu cuante purtătoare de masă zero, cum ar fi interacțiunile electromagnetice și, probabil, gravitaționale , lungimea de undă Compton a cuantei purtătoare și, prin urmare, intervalul, nu este limitată [16] . Dimpotrivă, pentru câmpurile cu cuante purtătoare având o masă diferită de zero - cum ar fi interacțiunea slabă , interacțiunea puternică [17] - lungimea de undă Compton a cuantei purtătoare și, prin urmare, intervalul, sunt limitate [18] .

Exemple de procese virtuale

Процесс обмена виртуальными фотонами электрона и протона в атоме. Найдём значение виртуальности фотона Для кванта-переносчика — фотона . Фотон переносит импульс , а его энергия . ${\ displaystyle e^{2} -p^{2} c^{2} = m^{2} c^{4))$ ${\ displaystyle q^{2} \, = \, e^{2} -p^{2} c^{2} -m^{2} c^{4}.}$ $m = 0$ ${\ displaystyle p \ neq 0}$ $E=0$ ${\ displaystyle q^{2} <0}$ ${\ displaystyle q^{2} = e^{2} -p^{2} c^{2} =-p^{2} c^{2} <0}$
Electricitatea este transferată de la o înfășurare a transformatorului la alta prin fotoni virtuali cu energie ( este frecvența curentului alternativ) și cu o lungime de undă de ordinul mărimii decalajului dintre înfășurările transformatorului. Un impuls de undă de această lungime depășește cu câteva ordine de mărime impulsul unei unde libere cu o frecvență de Hz, deoarece o undă liberă de o astfel de frecvență are o lungime de undă de aproximativ 1000 km [20] . $\ hbar \ omega$ $\omega$ $\ omega = 50$
Procesul de apariție și dispariție a perechilor virtuale electron-pozitron în apropierea unui electron, la distanțe de ordinul lungimii Compton a unui electron ( polarizare în vid ) [21]
Nucleonii sunt înconjurați de pi-mezoni virtuali , rezultați din procese virtuale: , , , [22] . ${\ Displaystyle p \ dreaptaftarrows n+\ pi ^{+))$ ${\ Displaystyle n \ japryleftarrows p+\ pi ^{-}}$ ${\ Displaystyle p \ dreaptaftarrows p+\ pi ^{0))$ ${\ Displaystyle n \ dreaptaftarrows n+\ pi ^{0))$

Часто наличием виртуальных частиц объясняются следующие эффекты:

o astfel de dezintegrare este imposibilă conform legilor fizicii cuantice obișnuite (deoarece stările excitate sunt stările staționare exacte ale ecuației Schrödinger).
Efectul Casimir , care constă în atracția sau respingerea reciprocă observată a corpurilor nemagnetice neîncărcate sub acțiunea fluctuațiilor cuantice în vid .
Polarizarea în vid , care implică generarea unei perechi particule-antiparticule sau „ descompunere în vid ”, cum ar fi generarea spontană a unei perechi electron-pozitron .
Излучение хокинXа , которое, предположительно, генерируется на горизонте собйий чёрных дыр .
Эээффект iaeț - ээээфект, аналогичный излучению хокинга, норенаблюдающийся пoри уоорении частиц.
Ээ6еект комптона .
Existența unui moment magnetic negativ al neutronului și valoarea anormală a momentului magnetic al protonului se explică prin mișcarea orbitală a -mezonului virtual format ca urmare a procesului virtual și mișcarea orbitală a -mezonului virtual format. ca urmare a procesului virtual [22] . $\pi ^{{-}}$ ${\ Displaystyle n \ japryleftarrows p+\ pi ^{-}}$ $\pi ^{+)$ ${\ Displaystyle p \ dreaptaftarrows n+\ pi ^{+))$

Sensul fizic

Являются ли виртуальные частицы и процессы реальныыи ianuată представляюю соой уоб cord метод маатеяатичччкко ior метод мате§аатичччко cord

Există două răspunsuri opuse la această întrebare.

Dacă, totuși, încercăm să simplificăm expresia exactă în termeni de teorie a perturbațiilor, extinzând-o într-o serie în ceea ce privește constanta de interacțiune ( un mic parametru al teoriei), atunci apare un set infinit de termeni. Fiecare dintre membrii acestei serii arată ca și cum în procesul de interacțiune sunt create și dispar obiecte care au numerele cuantice ale particulelor reale. Cu toate acestea, aceste obiecte se propagă în spațiu conform unei legi diferite de particulele reale și, prin urmare, dacă sunt interpretate ca emisie și absorbție a unei particule, atunci va fi necesar să acceptăm că legătura dintre energie și impuls nu este îndeplinită pentru lor. Conceptul de particule virtuale nu a apărut pe baza unor fapte experimentale, ci a fost derivat din aparatul matematic al fizicii cuantice.

Procesele virtuale apar în intervale de timp de ordinul secundelor, iar astfel de procese, din cauza relației de incertitudine pentru energie și timp, nu pot fi observate în principiu. $10^{{-24}}$

Виртcațiальные частицы наделены сойствами, не ianvate

Procesele virtuale sunt efectuate cu încălcarea legilor conservării și, prin urmare, nu pot fi descrise de fizica clasică, deoarece orice proces real din fizica clasică are loc în conformitate cu legile conservării [24] .

Susținătorii unui alt punct de vedere susțin că conceptul de particule virtuale și procese virtuale are un conținut obiectiv care reflectă fenomenele naturale.

Невоззожность наблюдать виртуальные частицы в иззерительных приборах не провер sufleщ х о о оъективiser. Можно создаваuter виртștriальные частицы, исполззовать ianuarie длиезицы, воздыщщ 25 25 25outer ват® .

Имеется ряд физических доказательств объективноя сесествования виртуальных частиц [26] .

Виртуальные пионы, окружающие нуклоны, отклоняют быстрые электроны.
Fotonii virtuali provoacă tranziții spontane ale electronilor dintr-un atom de la un nivel de energie mai mare la un nivel inferior și o schimbare Lamb a nivelurilor de energie în atomul de hidrogen.
Particulele virtuale se pot transforma în particule reale din cauza celor externe (de exemplu, atunci când un electron este accelerat, fotonii virtuali se transformă în cei reali [22] ) sau a celor interni (de exemplu, în timpul dezintegrarii, electronii virtuali și antineutrinii se transformă în cei reali ). ). $\beta$
Când particulele virtuale sunt absorbite, particulele reale se transformă în alte particule reale (de exemplu, un neutron real care absoarbe un pion virtual se transformă într-un proton real).
Наприck, при сообщении нуклона§ достаточной энерnțeии оружающие их виртcați artă
Виртуальные частицы в составе действительных частиц определяют их свойства (например, токи виртуальных мезонов определяют магнитные моменты нуклонов).
Particulele virtuale generează câmpuri destul de reale (de exemplu, nucleare, electromagnetice).
Виртуальные частицы способны переносить энергию на макроскопические расстояния, как, например, при работе электрического трансформатора или при ядерном магнитном резонансе [20].

Note

↑ 1 2 Fizica microcosmosului, 1980 , p. 132.
191.
53, 351-352.
↑ 1 2 Fizica microcosmosului, 1980 , p. 133.
44, 352.
315.
25.
16.
cincisprezece.
303.
↑ Широков, 1972 , с. 304.
306.
↑ Landau L. D. , Lifshits E. M. . Mecanica cuantică (teoria non-relativista). a 4-a ed. — M .: Nauka , 1989. — 768 p. — ( Landau L.D. , Lifshits E.M. Theoretical Physics , vol. III). - ISBN 5-02-014421-5 . - S. 193.
311.
cincisprezece.
↑ Frisch, 1966 , p. 98.
195-200
↑ Frisch, 1966 , p. 104.
↑ Okun L. B. Introducere elementară în fizica particulelor elementare, ed. a III-a, M., Fizmatlit , 2009, 128 p., ISBN 978-5-9221-1070-9
318.
23.
— M .: Nauka, 1987. — V. 3: Optica cuantică. Fizica atomică. Fizica stării solide. Fizica nucleului atomic și a particulelor elementare. — S. 240–244.
↑ А. Б. Мигдал , в. П. Крайнов приближенные методы квантовой механики, м.: Наука, 1966 г., 4. цценки кантовой электродиmpă. Нулевые колебания электро dejaагитного поля, стр. 47-50
180.
↑ Gott, 1972 , p. 181.
↑ Gott, 1972 , p. 182.

Literatură

Berestetsky V. B. , Lifshits E. M. , Pitaevsky L. P. . a 2-a ed. — M .: Nauka , 1980. — 704 p. — ( Landau L.D. , Lifshits E.M. Fizica teoretică , vol. IV).
Gott V. S. . Întrebări filozofice ale fizicii moderne. - M . : Şcoala superioară , 1972. - 416 p.
Myakishev G. Ya . Particule virtuale // Fizica microlumii / Ed. ed. D. V. Shirkova . - M .: Enciclopedia Sovietică , 1980. - 528 p. - S. 132-133.
Nishijima K. particule fundamentale.
Novikov, I. D. Fizica găurilor negre / I. D. Novikov, V. P. Frolov. — M .: Nauka , 1986. — 328 p.
Frisch D., Thorndike A. . Particule elementare. — M .: Atomizdat , 1966. — 151 p.
Fizica nucleara.
Particule virtuale - articol din Encyclopedia of Physics
Walter E. Serios .