Virtuális részecske

A virtuális részecske olyan objektum, amelyet az egyik valós elemi részecskében rejlő szinte valamennyi kvantumszám jellemez , de amelynél a részecske energiája és lendülete közötti belső kapcsolat megszakad. A virtuális részecskék fogalma a kvantumtérelméletből származik . Az ilyen részecskék, miután megszülettek, nem tudnak „elrepülni a végtelenbe”, vagy valamilyen részecskének kell elnyelődniük, vagy valódi részecskékre kell bomlani. A fizikában ismert alapvető kölcsönhatások virtuális részecskék cseréje formájában mennek végbe.

A kvantumtérelméletben a virtuális részecskék és a virtuális folyamatok fogalma központi helyet foglal el. A részecskék minden kölcsönhatását és más részecskévé való átalakulását a kvantumtérelméletben általában olyan folyamatnak tekintik, amely szükségszerűen együtt jár a virtuális részecskék szabad valós részecskék általi létrehozásával és elnyelésével [1] . Ez egy rendkívül kényelmes nyelv az interakció leírására. Különösen a számítási folyamatok nehézkessége csökken jelentősen, ha a virtuális részecskék létrehozásának, megsemmisítésének és terjedésének szabályait ( Feynman-szabályok ) előzetesen kidolgozzák, és a folyamatot grafikusan ábrázolják Feynman-diagramok segítségével .

A részecskék valós és virtuális felosztásának csak erős külső mező hiányában van pontos jelentése, és nincs egyediség a téridő azon területein, ahol a külső mező erős [2] .

A virtuális részecskék megkülönböztető jellemzői

A virtuális és a valódi részecske közötti fő és meghatározó különbség a speciális relativitáselméletből ismert összefüggés megsértése , amely a valós részecske energiáját és lendületét hozza összefüggésbe: $E$ ${\vec p}$

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

itt az impulzus-modulus, a részecske tömege, a fény sebessége vákuumban. Virtuális részecskére ez az összefüggés megszűnik [3] . Az ilyen részecskék csak nagyon rövid ideig létezhetnek, és nem regisztrálhatók klasszikus mérőműszerekkel, például elemi részecskék számlálóival [4] . $p$ $m$ $c$

Ami a fotonokat illeti, a virtuális és a valós fotonok közötti különbség abban is rejlik, hogy egy valódi fotonnál a spinjének a mozgásirányra vetítése csak értékeket vehet fel ( relativisztikus egységekben ), a virtuális fotonnál pedig , érték is lehetséges [5] . $\pm 1$ $0$

A virtuális részecskék fogalmának szükségessége abból adódik, hogy a hullám-részecske kettősség elve és a rövid hatótávolságú hatás elve szerint az elemi részecskék közötti bármilyen kölcsönhatás az ezt biztosító mező kvantumainak cseréjéből áll. kölcsönhatás. Így a hidrogénatomban az elektron és a proton elektromágneses kölcsönhatása az elektron és a proton közötti fotonok cseréjéből áll . De a szabad elektron nem tud fotont kibocsátani és elnyelni. Ennek oka, hogy abban a vonatkoztatási rendszerben, amelyben az elektron nyugalomban volt a foton emissziója előtt, az utóbbi emissziója előtt az elektron energiája , az emisszió után pedig az elektronrendszer energiája, ill. fotont a kifejezés adja $mc^{2}$

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

az energiamegmaradás törvénye tiltja az ilyen folyamatot . Ezért úgy gondolják, hogy a virtuális fotonok cseréje során az utóbbiak lendületet adnak át, de energiát nem.

Néha az áttekinthetőség kedvéért a "virtuális részecskék" fogalmát kissé eltérő módon magyarázzák. Ugyanis azt mondják, hogy a kölcsönhatás folyamatában némi hibával teljesül az energiamegmaradás törvénye . Ez nem mond ellent a kvantummechanikának : a bizonytalansági reláció szerint egy véges ideig tartó esemény nem teszi lehetővé, hogy egy bizonyos határ feletti pontossággal meghatározzuk az energiát. Nagyjából elmondható, hogy a köztes részecskék rövid időre "energiát kölcsönöznek". Ebben az esetben a kölcsönhatás során közönséges részecskék születhetnek és eltűnhetnek, csak az energiamegmaradás törvényének enyhe megsértésével.

A részecskék relativisztikusan invariáns mennyiséget vesznek fel a virtualitás mértékeként, amely pozitív és negatív értékeket is felvehet. Azt az értéktartományt , amelynél a virtualitás nulla, a részecske tömegfelületének (vagy tömeghéjának ) nevezzük . $Q^{2}\,=\,E^{2}-p^{2}c^{2}-m^{2}c^{4},$ $Q^{2}$ $E$ $p$ $Q^{2}$

Így egy virtuális részecske energia-impulzus vektora lehet térszerű. Ezért ugyanaz a folyamat, amely egy virtuális részecskét foglal magában a megfigyelők különböző vonatkoztatási rendszereiben, eltérően nézhet ki: egy megfigyelő szemszögéből a folyamat lehet egy virtuális részecske kibocsátása, egy másik megfigyelő szemszögéből pedig ugyanez a folyamat lesz egy virtuális antirészecske abszorpciója [6] .

A virtuális részecskék esetében a klasszikus pálya fogalma értelmetlen . Elnyelődnek, mielőtt helyzetük bizonytalanságánál nagyobb távolságra lépnének [7] . A virtuális részecskék emissziós és abszorpciós folyamatának analógja a fény behatolása egy sűrű közegbe teljes belső visszaverődéssel a klasszikus optikában [7] . A virtuális részecskék száma nem Lorentz-invariáns , mivel az egyik ponton eltűnnek, és egyidejűleg megjelennek a másikban [7] .

A virtuális részecske sebességének nincs közvetlen fizikai jelentése. Ez abból következik, hogy egy részecske sebességét impulzusa , energiája és fénysebességén keresztül a [8] összefüggés határozza meg . Például a virtuális fotonok lendületére és energiájára, amelyek egy proton és egy elektron között cserélődnek a hidrogénatomban, a következőt kapjuk: Ha ezeket az értékeket behelyettesítjük a sebesség képletébe, végtelenül nagy értéket kapunk. $v$ $p$ $E$ $c$ $v={\frac {pc^{{2}}}{E}}$ $p>0,E=0.$ $v={\frac {pc^{{2}}}{E}}$

A virtuális részecske tömegének szintén nincs közvetlen fizikai jelentése. Ez a tömeg , energia , impulzus és fénysebesség összefüggéséből következik [9] . Például a hidrogénatomban egy proton és egy elektron között kicserélt virtuális fotonoknál a és értéke a következő: Ha ezeket az értékeket behelyettesítjük a képletbe, a részecske tömege képzeletbelinek bizonyul. $m$ $E$ $p$ $c$ ${\displaystyle m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2))$ $p$ $E$ $p>0,E=0.$ ${\displaystyle m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2))$ $m$

Virtuális folyamat

A virtuális részecskéket tartalmazó folyamatot virtuális folyamatnak nevezzük . A virtuális folyamatokban korlátozások vonatkoznak az elektromos töltés , a spin , a furcsaság , a barion , a lepton és más töltések megmaradására, de nincs korlátozás az energiára és a lendületre vonatkozóan [10] [1] . A Feynman-diagramok [11] módszere a virtuális folyamatok leírására szolgál . Nagyon ritka kivételektől eltekintve a Feynman-diagramok belső vonalai mindig virtuális részecskékre vonatkoznak [12] .

Virtuális részecske nem csak a valós részecskék közötti cserefolyamat során keletkezhet, hanem az egyik valós részecskének egy másik valós részecske általi abszorpciója során is. A Compton-effektus azzal magyarázható, hogy egy valós foton egy valós elektron abszorpciója virtuális elektron keletkezik, majd a virtuális elektron valóságos elektronná és különböző mozgási irányú és energiájú fotonná bomlik [4] .

Ha a virtuális részecske tömege

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

egy szabad részecske tömegétől különbözik : , akkor az idő és az energia közötti bizonytalansági összefüggések szerint [13] ez a virtuális részecske csak egy ideig létezhet Ezalatt az idő alatt távolságot tud repülni Így minél nagyobb a a részecske virtualitása , annál rövidebb ideig megy végbe egy virtuális folyamat kisebb távolságokon is [14] . $\Delta {m}$ ${\displaystyle |m_{v}-m|\,=\,\Delta {m))$ $\tau \leq {\frac {\hbar }{c^{2}\Delta {m}}}.$ $r\leq {\frac {\hbar }{c\Delta {m}}}.$

Amikor az elemi részecskéket egy tömegű tér virtuális kvantuma cseréli fel, akkor egy köztes virtuális állapot energiájának bizonytalanságát az egyenlőtlenség adja meg. A kvantum által megtett távolság a virtuális állapot élettartamával függ össze a A virtuális állapot élettartama és energiájának bizonytalansága közötti bizonytalanságok aránya úgy néz ki, mintha a virtuális kvantum áthaladná a tömegén: $m$ $\Delta E\geqslant mc^{2}.$ $r,$ $\Delta t$ $r\approx v\Delta t.$ $\Delta t$ $\Delta E$ $\Delta E\Delta t\approx \hbar .$

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

Ebből következik, hogy a virtuális kölcsönhatás távolsága nem haladja meg a kölcsönhatást hordozó kvantum Compton -hullámhosszát [15] .

A nulla tömegű hordozókvantumokkal rendelkező mezők esetében, mint például az elektromágneses és feltehetően gravitációs kölcsönhatások, a hordozókvantum Compton-hullámhossza, és így a tartomány sem korlátozott [16] . Ellenkezőleg, a nullától eltérő tömegű vivőkvantumokkal rendelkező mezők esetében – mint például a gyenge kölcsönhatás , az erős kölcsönhatás [17] – a hordozókvantum Compton-hullámhossza, és így a tartománya is korlátozott [18] .

Példák virtuális folyamatokra

Egy elektron és egy proton virtuális fotonjainak cseréjének folyamata egy atomban. E folyamat eredményeként az elektron energiája nem változik, csak lendületének iránya változik. Egy szabad részecske esetében a relációnak érvényesnek kell lennie , de egy virtuális fotonnál nem teljesül. Határozzuk meg a foton virtualitásának értékét a kvantumhordozó - fotonhoz . A foton lendületet és energiáját hordozza . Ezért : [19] . ${\displaystyle E^{2}-p^{2}c^{2}=m^{2}c^{4))$ $Q^{2}\,=\,E^{2}-p^{2}c^{2}-m^{2}c^{4}.$ $m=0$ $p\neq 0$ $E=0$ $Q^{2}<0$ $Q^{2}=E^{2}-p^{2}c^{2}=-p^{2}c^{2}<0$
A virtuális fotonok cseréjének folyamata az elektromos transzformátor tekercsei között . A villamos energiát a transzformátor egyik tekercséből a másikba virtuális fotonok energiával ( a váltakozó áram frekvenciája) és a transzformátor tekercsei közötti rés nagyságának megfelelő hullámhosszal továbbítják. Egy ilyen hosszúságú hullámimpulzus több nagyságrenddel meghaladja a Hz frekvenciájú szabad hullám impulzusát , mivel egy ilyen frekvenciájú szabad hullám hullámhossza körülbelül 1000 km [20] . $\hbar \omega$ $\omega$ $\omega=50$
Virtuális elektron-pozitron párok megjelenésének és eltűnésének folyamata egy elektron közelében, egy elektron Compton-hosszának nagyságrendjében ( vákuumpolarizáció ) [21]
A nukleonokat virtuális pi-mezonok veszik körül, amelyek a virtuális folyamatok eredményeként jönnek létre: , , , [22] . ${\displaystyle p\rightleftarrows n+\pi ^{+))$ $n\rightleftarrows p+\pi ^{-}$ ${\displaystyle p\rightleftarrows p+\pi ^{0))$ ${\displaystyle n\rightleftarrows n+\pi ^{0))$

Virtuális részecskékkel magyarázott hatások

A következő hatásokat gyakran virtuális részecskék jelenléte magyarázza:

Foton spontán emissziója gerjesztett atom vagy atommag bomlása során; egy ilyen bomlás a közönséges kvantumfizika törvényei szerint lehetetlen (mivel a gerjesztett állapotok a Schrödinger-egyenlet pontos stacionárius állapotai). Ennek magyarázata az atom kölcsönhatása az elektromágneses tér nulla rezgéseivel vákuumban [23] .
A Kázmér-effektus , amely a töltetlen, nem mágneses testek megfigyelt kölcsönös vonzásában vagy taszításában áll a vákuumban fellépő kvantumingadozások hatására .
Vákuumpolarizáció , amely egy részecske-antirészecske pár vagy " vákuum-bomlás " létrehozásával jár, például egy elektron-pozitron pár spontán generálásával .
Hawking-sugárzás , amely állítólag a fekete lyukak eseményhorizontjában keletkezik .
Az Unruh -effektus a Hawking-sugárzáshoz hasonló hatás, de akkor figyelhető meg, amikor a részecskéket felgyorsítják.
Compton hatás .
A neutron negatív mágneses momentumának meglétét és a proton mágneses momentumának anomális értékét a virtuális folyamat eredményeként létrejövő virtuális -mezon keringési mozgása és a kialakult virtuális -mezon keringési mozgása magyarázza. a virtuális folyamat eredményeként [22] . $\pi ^{{-}}$ $n\rightleftarrows p+\pi ^{-}$ ${\displaystyle \pi ^{+))$ ${\displaystyle p\rightleftarrows n+\pi ^{+))$

Fizikai jelentés

Valósak-e a virtuális részecskék és folyamatok, vagy a valóság matematikai leírásának kényelmes módszerét képviselik?

Erre a kérdésre két ellentétes válasz létezik.

Az egyik válasz erre a kérdésre azt állítja, hogy a virtuális részecskék inkább matematikai jelenségek, mint fizikai valóságok. Valójában a valós részecskék kölcsönhatási folyamatainak pontos kifejezéseiben a kvantumtérelméletben nem jelennek meg virtuális részecskék. Ha azonban megpróbáljuk leegyszerűsíteni a pontos kifejezést a perturbációelmélet szempontjából úgy, hogy az interakciós állandó ( az elmélet kis paramétere ) szempontjából sorozattá bővítjük , akkor végtelen taghalmaz jön létre. Ennek a sorozatnak minden tagja úgy néz ki , mintha az interakció során olyan objektumok jönnek létre és tűnnek el, amelyek a valós részecskék kvantumszámával rendelkeznek. Ezek a tárgyak azonban a valós részecskéktől eltérő törvény szerint terjednek a térben, ezért ha egy részecske kibocsátása és abszorpciójaként értelmezzük őket, akkor el kell fogadni, hogy az energia és az impulzus közötti kapcsolat nem teljesül. őket. Így a virtuális részecskék csak akkor jelennek meg, ha az eredeti kifejezést bizonyos módon leegyszerűsítjük. A virtuális részecskék fogalma nem kísérleti tények alapján jött létre, hanem a kvantumfizika matematikai apparátusából származott. Ezért ez egy tisztán spekulatív koncepció a matematikai számításokhoz [24] .

A virtuális folyamatok másodperces nagyságrendű időintervallumokban mennek végbe , és ilyen folyamatok az energia és idő bizonytalansági viszonya miatt elvileg nem figyelhetők meg. Így a virtuális részecskék és folyamatok "megfigyelhetetlenek", és nincs fizikai valóságuk [24] . $10^{{-24}}$

A virtuális részecskéket olyan tulajdonságokkal ruházzák fel, amelyeknek nincs fizikai jelentésük, mint például a negatív és a képzeletbeli tömeg [24] .

A virtuális folyamatokat a megmaradási törvények megsértésével hajtják végre, ezért a klasszikus fizika nem írja le őket, mivel a klasszikus fizikában minden valós folyamat a megmaradási törvények betartásával megy végbe [24] .

Egy másik nézőpont hívei azzal érvelnek, hogy a virtuális részecskék és a virtuális folyamatok fogalmának objektív tartalma van, amely tükrözi a természeti jelenségeket.

A virtuális részecskék mérőműszerekben történő megfigyelésének lehetetlensége nem cáfolja objektív létezésüket. Létrehozhat virtuális részecskéket, felhasználhatja őket más részecskék befolyásolására, befolyásolhatja őket és valódi részecskéket alakíthat át [25] .

A virtuális részecskék objektív létezésének számos fizikai bizonyítéka van [26] .

A nukleonokat körülvevő virtuális pionok eltérítik a gyors elektronokat.
A virtuális fotonok spontán elektronátmeneteket okoznak egy atomban egy magasabb energiaszintről egy alacsonyabb energiaszintre, és egy Lamb-eltolódást okoznak az energiaszintekben a hidrogénatomban.
A virtuális részecskék valódi részecskévé alakulhatnak külső hatások miatt (például ha egy elektront felgyorsítanak, a virtuális fotonok valóságossá [22] ) vagy belsővé (például -bomlás során a virtuális elektronok és az antineutrínók valóságossá válnak ). ). $\beta$
Amikor a virtuális részecskék elnyelődnek, a valódi részecskék más valós részecskévé alakulnak (például egy valódi neutron, amely elnyeli a virtuális piont, valódi protonná változik).
A virtuális részecskék valóságossá válnak, amikor bizonyos energiát közölnek azzal a rendszerrel, amelyben elhelyezkednek. Például, ha elegendő energiát adnak a nukleonoknak, az őket körülvevő virtuális pi-mezonok valódiakká alakulnak [22] .
A valós részecskékben lévő virtuális részecskék meghatározzák tulajdonságaikat (például a virtuális mezonok áramai határozzák meg a nukleonok mágneses momentumait).
A virtuális részecskék egészen valós mezőket generálnak (például nukleáris, elektromágneses).
A virtuális részecskék képesek energiát makroszkopikus távolságokon átvinni, mint például egy elektromos transzformátor működése közben vagy a mágneses magrezonancia során [20] .

Jegyzetek

↑ 1 2 A mikrokozmosz fizikája, 1980 , p. 132.
↑ Novikov, 1986 , p. 191.
↑ Beresztetszkij, Lifshits, Pitajevszkij, 1980 , p. 53, 351-352.
↑ 1 2 A mikrokozmosz fizikája, 1980 , p. 133.
↑ Beresztetszkij, Lifshits, Pitajevszkij, 1980 , p. 44, 352.
↑ Shirokov, 1972 , p. 315.
↑ 1 2 3 Thirring, 1964 , p. 25.
↑ Shirokov, 1972 , p. 16.
↑ Shirokov, 1972 , p. tizenöt.
↑ Shirokov, 1972 , p. 303.
↑ Shirokov, 1972 , p. 304.
↑ Shirokov, 1972 , p. 306.
↑ Landau L. D. , Lifshits E. M .. Kvantummechanika (nem relativisztikus elmélet). 4. kiadás — M .: Nauka , 1989. — 768 p. - ( Landau L.D. , Lifshits E.M. Theoretical Physics , III. köt.). - ISBN 5-02-014421-5 . - S. 193.
↑ Shirokov, 1972 , p. 311.
↑ Nishijima, 1965 , p. tizenöt.
↑ Frisch, 1966 , p. 98.
↑ Malyarov V. V. Az atommag elméletének alapjai. - M., Fizmatgiz, 1959. - p. 195-200
↑ Frisch, 1966 , p. 104.
↑ Okun L. B. Elemi bevezetés az elemi részecskefizikába, 3. kiadás, M., Fizmatlit , 2009, 128 pp., ISBN 978-5-9221-1070-9
↑ 1 2 Shirokov, 1972 , p. 318.
↑ Thirring, 1964 , p. 23.
↑ 1 2 3 4 Saveljev, I. V. Általános fizika tantárgy. — M .: Nauka, 1987. — V. 3: Kvantumoptika. Atomfizika. Szilárdtestfizika. Az atommag és az elemi részecskék fizikája. — S. 240–244.
↑ A. B. Migdal , V. P. Krainov A kvantummechanika közelítő módszerei, Moszkva: Nauka, 1966, 4. Estimates in quantum electrodynamics. Az elektromágneses tér nulla rezgései, 47-50
↑ 1 2 3 4 Gott, 1972 , p. 180.
↑ Gott, 1972 , p. 181.
↑ Gott, 1972 , p. 182.

Irodalom

Beresztetszkij V. B. , Lifshits E. M. , Pitajevszkij L. P .. Kvantumelektrodinamika. 2. kiadás — M .: Nauka , 1980. — 704 p. – ( Landau L.D. , Lifshits E.M. Theoretical Physics , IV. köt.).
Gott V. S. . A modern fizika filozófiai kérdései. - M . : Felsőiskola , 1972. - 416 p.
Myakishev G. Ya . Virtuális részecskék // A mikrovilág fizikája / Szerk. szerk. D. V. Shirkova . - M .: Szovjet Enciklopédia , 1980. - 528 p. - S. 132-133.
Nishijima K. alapvető részecskék. — M .: Mir , 1965. — 462 p.
Novikov, I. D. A fekete lyukak fizikája / I. D. Novikov, V. P. Frolov. — M .: Nauka , 1986. — 328 p.
Frisch D., Thorndike A. . Elemi részecskék. — M .: Atomizdat , 1966. — 151 p.
Shirokov Yu. M. , Yudin N. P. . Atommag fizika. — M .: Nauka , 1972. — 670 p.
Virtuális részecskék – cikk az Encyclopedia of Physics -ből
Walter E. Thirring A kvantumelektrodinamika alapelvei. - M . : Felsőiskola, 1964. - 226 p.