Виртуальная частица

Шаблон:Не путать Виртуа́льная части́ца — объект, который характеризуется почти всеми квантовыми числами, присущими одной из реальных элементарных частиц, но для которого нарушена свойственная последней связь между энергией и импульсом частицы. Понятие о виртуальных частицах возникло в квантовой теории поля. Такие частицы, родившись, не могут «улететь на бесконечность», они обязаны либо поглотиться какой-либо частицей, либо распасться на реальные частицы. Известные в физике фундаментальные взаимодействия протекают в форме обмена виртуальными частицами.

В квантовой теории поля понятия виртуальных частиц и виртуальных процессов занимают центральное место. Все взаимодействия частиц и их превращения в другие частицы в квантовой теории поля принято рассматривать как процессы, обязательно сопровождающиеся рождением и поглощением виртуальных частиц свободными реальными частицамиШаблон:Sfn. 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.

Разделение частиц на реальные и виртуальные имеет точный смысл лишь в отсутствии сильного внешнего поля и лишено однозначности в областях пространства-времени, где внешнее поле является сильнымШаблон:Sfn.

Отличительные особенности виртуальных частиц

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

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

здесь $p$ — модуль импульса, $m$ — масса частицы, $c$ — скорость света в вакууме. Для виртуальной частицы данное соотношение перестаёт быть справедливымШаблон:Sfn. Такие частицы могут существовать лишь очень короткое время и не могут быть зарегистрированы классическими измерительными приборами — например, счётчиками элементарных частицШаблон:Sfn.

Применительно к фотонам отличие виртуальных от реальных фотонов состоит ещё и в том, что для реального фотона проекция его спи́на на направление движения может принимать только значения $\pm 1$ (в релятивистских единицах), а для виртуального фотона возможно также значение $0$Шаблон:Sfn.

Потребность в понятии виртуальных частиц возникает вследствие того, что, согласно принципу корпускулярно-волнового дуализма и принципу близкодействия, любое взаимодействие между элементарными частицами заключается в обмене квантами поля, обеспечивающего это взаимодействие. Так, электромагнитное взаимодействие электрона и протона в атоме водорода заключается в обмене фотонами между электроном и протоном. Но свободный электрон не может ни испустить, ни поглотить фотон. Причина — в том, что в системе отсчёта, в которой электрон покоился до испускания фотона, перед испусканием последнего энергия электрона равна $m{c}^2$, а после испускания энергия системы из электрона и фотона даётся выражением

$E=\frac{m{c}^2}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}}+\hslash \omega ;$

подобный процесс запрещён законом сохранения энергии. Поэтому считают, что при обмене виртуальными фотонами последние переносят импульс, но не переносят энергию.

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 определить 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.

За меру виртуальности частицы принимают релятивистски-инвариантную величину $Q^2=E^2-p^2{c}^2-m^2{c}^4,$ причём $Q^2$ может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Область значений $E$ и $p$, при которых виртуальность $Q^2$ равна нулю, называют массовой поверхностью (или массовой оболочкой) частицы.

Таким образом, вектор энергии-импульса виртуальной частицы может быть пространственноподобным. Поэтому один и тот же процесс с участием виртуальной частицы для наблюдателей в разных системах отсчёта может выглядеть по-разному: с точки зрения одного наблюдателя процесс может быть испусканием виртуальной частицы, а с точки зрения другого наблюдателя этот же процесс будет поглощением виртуальной античастицыШаблон:Sfn.

Для виртуальных частиц лишено смысла понятие классической траектории. Они поглощаются прежде, чем сместятся на расстояние, превышающее неопределённость их положенияШаблон:Sfn. Аналогом процессов испускания и поглощения виртуальных частиц является процесс проникновения света в плотную среду при полном внутреннем отражении в классической оптикеШаблон:Sfn. Число виртуальных частиц не является лоренц-инвариантным за счёт того, что они исчезают в одной точке и одновременно появляются в другойШаблон:Sfn.

Скорость виртуальной частицы не имеет непосредственного физического смысла. Это следует из того, что скорость $v$ частицы определяется через её импульс $p$, энергию $E$ и скорость света $c$ соотношением $v=\frac{p{c}^2}{E}$Шаблон:Sfn. Например, для импульса и энергии виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, имеем: $p>0,E=0.$ При подстановке в формулу $v=\frac{p{c}^2}{E}$ этих значений для скорости получается бесконечно большая величина.

Масса виртуальной частицы также не имеет непосредственного физического смысла. Это следует из соотношения между массой $m$, энергией $E$, импульсом $p$ и скоростью света $c$ $m^2{c}^4=E^2-p^2{c}^2$Шаблон:Sfn. Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода, значения $p$ и $E$ таковы: $p>0,E=0.$ При подстановке в формулу $m^2{c}^4=E^2-p^2{c}^2$ этих значений масса $m$ частицы оказывается мнимой.

Виртуальный процесс

Процесс с участием виртуальных частиц называется виртуальным процессом. В виртуальных процессах действуют ограничения, связанные с сохранением электрического заряда, спина, странности, барионного, лептонного и других зарядов, но не действуют ограничения по энергии и импульсуШаблон:SfnШаблон:Sfn. Для описания виртуальных процессов применяется метод диаграмм ФейнманаШаблон:Sfn. За очень редкими исключениями, внутренние линии на диаграммах Фейнмана всегда относятся к виртуальным частицамШаблон:Sfn.

Виртуальная частица может возникнуть не только в процессе обмена между реальными частицами, но и в процессе поглощения одной реальной частицы другой реальной частицей. Эффект Комптона объясняется поглощением реального фотона реальным электроном с образованием виртуального электрона и последующим распадом виртуального электрона на реальные электрон и фотон, имеющие другие направления движения и энергииШаблон:Sfn.

Если масса виртуальной частицы

$m_v=\frac{1}{c^2}\sqrt{E^2-p^2{c}^2}$

отличается на $\mathrm{\Delta }m$ от массы свободной частицы: $|m_v-m|=\mathrm{\Delta }m$, то, согласно соотношениям неопределённости между временем и энергией, эта виртуальная частица может существовать лишь в течение промежутка времени $\tau \le \frac{\hslash }{c^2\mathrm{\Delta }m}.$ За это время она может пролететь расстояние $r\le \frac{\hslash }{c\mathrm{\Delta }m}.$ Таким образом, чем больше виртуальность частицы, тем более короткое время происходит виртуальный процесс и на более малых расстоянияхШаблон:Sfn.

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

$r\approx v\mathrm{\Delta }t\approx \frac{v\hslash }{\mathrm{\Delta }E}⩽\frac{v\hslash }{m{c}^2}⩽\frac{\hslash }{mc}.$

Отсюда следует, что расстояние виртуального взаимодействия не превышает комптоновскую длину волны кванта — переносчика взаимодействияШаблон:Sfn.

У полей с квантами-переносчиками, имеющими нулевую массу — таких как электромагнитное и, предположительно, гравитационное взаимодействие, — комптоновская длина волны кванта-переносчика, а следовательно, и радиус действия, не ограниченыШаблон:Sfn. Напротив, у полей с квантами-переносчиками, имеющими ненулевую массу — таких как слабое взаимодействие, сильное взаимодействие, — комптоновская длина волны кванта-переносчика, а следовательно, и радиус действия, ограниченыШаблон:Sfn.

Примеры виртуальных процессов

• Процесс обмена виртуальными фотонами электрона и протона в атоме. В результате этого процесса энергия электрона не меняется, меняется лишь направление его импульса. Для свободной частицы должно быть справедливым соотношение $E^2-p^2{c}^2=m^2{c}^4$, но для виртуального фотона оно не выполняется. Найдём значение виртуальности фотона $Q^2=E^2-p^2{c}^2-m^2{c}^4.$Для кванта-переносчика — фотона $m=0$. Фотон переносит импульс $p\ne 0$, а его энергия $E=0$. Поэтому $Q^2<0$: $Q^2=E^2-p^2{c}^2=-p^2{c}^2<0$.
• Процесс обмена виртуальными фотонами между обмотками электрического трансформатора. Электроэнергия передаётся из одной обмотки трансформатора в другую виртуальными фотонами с энергией $\hslash \omega$ ($\omega$ — частота переменного тока) и с длиной волны порядка размеров зазора между обмотками трансформатора. Импульс волн такой длины на несколько порядков превышает импульс свободной волны частотой $\omega =50$ Гц, так как свободная волна такой частоты имеет длину волны порядка 1000 кмШаблон:Sfn.
• Процесс возникновения и исчезновения виртуальных электронно-позитронных пар вблизи электрона, на расстояниях порядка комптоновской длины электрона (поляризация вакуума)Шаблон:Sfn
• Нуклоны окружены виртуальными пи-мезонами, возникающими в результате виртуальных процессов: $p\rightleftarrows n+{\pi }^{+}$, $n\rightleftarrows p+{\pi }^{-}$, $p\rightleftarrows p+{\pi }^0$, $n\rightleftarrows n+{\pi }^0$.

Эффекты, объясняемые при помощи виртуальных частиц

Часто наличием виртуальных частиц объясняются следующие эффекты:

• Спонтанная эмиссия фотона в процессе распада возбуждённого атома или ядра; такой распад невозможен по законам обычной квантовой физики (поскольку возбуждённые состояния есть точные стационарные состояния уравнения Шрёдингера). Он объясняется взаимодействием атома с нулевыми колебаниями электромагнитного поля в вакууме.
• Эффект Казимира, заключающийся в наблюдаемом взаимном притяжении или отталкивании незаряженных немагнитных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме.
• Поляризация вакуума, которая включает генерацию пары частица-античастица или «распад вакуума», как, например, спонтанная генерация электрон-позитронной пары.
• Излучение Хокинга, которое, предположительно, генерируется на горизонте событий чёрных дыр.
• Эффект Унру — эффект, аналогичный излучению Хокинга, но наблюдающийся при ускорении частиц.
• Эффект Комптона.
• Существование отрицательного магнитного момента у нейтрона и аномальная величина магнитного момента протона объясняются орбитальным движением виртуального ${\pi }^{-}$-мезона, образовавшегося в результате виртуального процесса $n\rightleftarrows p+{\pi }^{-}$ и орбитальным движением виртуального ${\pi }^{+}$-мезона, образовавшегося в результате виртуального процесса $p\rightleftarrows n+{\pi }^{+}$.

Физический смысл

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 вычисленийШаблон:Sfn.

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

Виртуальные частицы наделены свойствами, не имеющими физического смысла, такими как отрицательная и мнимая массаШаблон:Sfn.

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 сохраненияШаблон:Sfn.

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 частицыШаблон:Sfn.

Имеется ряд физических доказательств объективного существования виртуальных частицШаблон:Sfn.

• Виртуальные пионы, 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. Например, при сообщении нуклонам достаточной энергии окружающие их виртуальные пи-мезоны превращаются в реальные.
• 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 резонансеШаблон:Sfn.

Литература

• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга — С. 132—133.
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Публикация
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Книга
• Шаблон:Из
• Шаблон:Книга