- Виртуальные частицы
-
Виртуальная частица — некоторый абстрактный объект в квантовой теории поля, обладающий квантовыми числами одной из реальных элементарных частиц (с массой m), для которого, однако, не выполняется обычная связь между энергией и импульсом (т.е.
). Виртуальные частицы не могут «улететь на бесконечность»; они рождаются и обязаны поглотиться какой-либо частицей. Можно сказать, что виртуальные частицы — это и есть то, как происходит взаимодействие.Виртуальность частицы характеризуется релятивистски-инвариантной величиной Q2 = E2 - p2c2 - m2c4, причём Q2 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.
Далее следуют шесть известных эффектов в физике элементарных частиц, которые часто приписываются виртуальным частицам (в частности, виртуальным фотонам; все, кроме последнего случая):
- Спонтанная эмиссия фотона в процессе распада возбуждённого атома или ядра; такой распад невозможен по законам обычной квантовой физики и требует квантификации электромагнитного поля для объяснения,
- Эффект Казимира, заключающийся во взаимном притяжении или отталкивании незаряженных немагнитных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме,
- Сила Ван Дер Ваальса (van der Waals force), которая похожа на эффект Казимира, только происходит между двумя атомами,
- Вакуумная поляризация (Vacuum polarization), которая включает генерацию пары частица-античастица или «распад вакуума» (the decay of the vacuum), как, например, спонтанная генерация электрон-позитронной пары,
- Излучение Хокинга, которое происходит в сильном гравитационном поле, таком, например, как вблизи чёрных дыр.
Строго говоря, 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.
Впрочем, несмотря на некоторую фиктивность понятия «виртуальная частица», во многих случаях 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.
Иногда, в целях наглядности, концепцию «виртуальных частиц» поясняют несколько иначе. А именно, говорят, что в процессе взаимодействия закон сохранения энергии выполняется не строго, а 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.
Wikimedia Foundation. 2010.
