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.

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 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]

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 . У фотона , но фотон переносит импульс , но его энергия , поэтому ^[12].
• Процесс обмена виртуальными фотонами между обмотками электрического трансформатора. Электроэнергия передаётся из одной обмотки трансформатора в другую виртуальными фотонами с энергией ( - 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 Гц, так как свободная волна такой частоты имеет длину волны порядка 1000 км.^[13]

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 возбужденные состояния есть точные стационарные состояния уравнения Шрёдингера). Он объясняется взаимодействием атома с нулевыми колебаниями электромагнитного поля в вакууме.^[14];
• 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

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 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]

• 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  — 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.
• 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 резонансе.^[13]

Таким образом, имеются все основания рассматривать виртуальные частицы как объективно существующие, а не как логические образы.

Примечания

Ссылки

• Виртуальные частицы — статья из Физической энциклопедии
• Учёные извлекли реальные фотоны из виртуальных частиц.
• Добро пожаловать в Мультиверс!

Литература

• Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
• ред. Ширков Д. В. Мякишев Г. Я. Виртуальные частицы // Физика микромира, c. 132-133. — М.: Советская энциклопедия, 1980. — 528 с.
• Фриш Д., Торндайк А. Элементарные частицы. — М.: Атомиздат, 1966. — 151 с.
• Готт В. С. Философские вопросы современной физики. — М.: Высшая школа, 1972. — 416 с.