23-10-2023
Виртуальная частица — некоторый абстрактный объект в квантовой теории поля, обладающий квантовыми числами одной из реальных элементарных частиц (с массой ), для которого, однако, не выполняется обычная связь между энергией и импульсом (то есть ), из-за чего они не могут быть зарегистрированы классическими измерительными приборами, например, счётчиком элементарных частиц.[1] Виртуальные частицы не могут «улететь на бесконечность»; они рождаются и обязаны либо поглотиться какой-либо частицей, либо распасться на реальные частицы. Можно сказать, что виртуальные частицы — это и есть то, как происходит взаимодействие.
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 зафиксировать 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.
Виртуальность частицы характеризуется релятивистски-инвариантной величиной , причём может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Область значений E и p, при которых виртуальность равна нулю, называется 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 античастицы. Поэтому для виртуальных частиц обычно не делают разницы между частицами и античастицами.[2]
Если масса виртуальной частицы отличается на от массы свободной частицы , то, согласно соотношениям неопределённости между временем и энергией[3], 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.[4]
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 частицами.[5] 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.
У полей с квантами-переносчиками, имеющими нулевую массу, таких как электромагнитное и гравитационное, время существования виртуальных частиц, а следовательно, и радиус действия, не ограничены ( может быть сколь угодно близко к нулю).[6]
У полей с квантами-переносчиками, имеющими ненулевую массу, таких как сильное взаимодействие и слабое взаимодействие, время существования виртуальных частиц, а следовательно, и радиус действия, ограничены.[7]
Скорость виртуальных частиц не имеет физического смысла. Это следует из того, что скорость частицы определяется через её импульс , энергию и скорость света соотношением .[8] Например, для виртуальных фотонов, которыми обмениваются протон и электрон в атоме водорода импульс , энергия . При подстановке в формулу этих значений для скорости получается бесконечно большая величина.
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 импульсу.[9][5] Для описания виртуальных процессов применяется метод диаграмм Фейнмана.[10] За очень редкими исключениями внутреннии линии на диаграммах Фейнмана всегда относятся к виртуальным частицам.[11] 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 энергии.[1]
Часто наличием виртуальных частиц объясняются следующие эффекты:
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 вычислений.[15]
Виртуальные процессы происходят в промежутки времени порядка сек, а такие процессы в силу соотношения неопределенности для энергии и времени принципиально не могут наблюдаться. Таким образом, виртуальные частицы и процессы «ненаблюдаемы» и физической реальности не имеют.[15]
Виртуальные частицы наделены свойствами, не имеющими физического смысла, такими как отрицательная и мнимая масса.[15]
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 сохранения.[15]
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 частицы.[16]
Имеется ряд физических доказательств объективного существования виртуальных частиц.[17]
Таким образом, имеются все основания рассматривать виртуальные частицы как объективно существующие, а не как логические образы.
Виртуальная частица.