виртуальная частица

# тег · @ автор · ! учёный

Виртуальные частицы — это квантовые флуктуации полей (квантовые поля — фундаментальные сущности, описывающие частицы как возбуждения), которые кратковременно возникают в вакууме за счёт неопределённости энергии. Они не существуют как реальные свободные частицы, но опосредуют взаимодействия и меняют свойства вакуума.

История

Идея появилась в 1920-30-х годах с развитием квантовой электродинамики, а формально описали в 1940-х Ричард Фейнман и другие.

Как работает

Два корабля обмениваются быстрыми гребцами, которые выскакивают из воды и возвращаются обратно. Гребцы незаметны, но толкают корабли. Так виртуальные частицы переносят силы между обычными частицами: например, виртуальные фотоны делают магнит притягивающим.

💡 Энергия виртуальных частиц влияет на спектр атома водорода — это называется лэмбовским сдвигом, измеренным с огромной точностью.

В рамках квантовой теории поля виртуальные частицы — это внутренние линии на диаграммах Фейнмана, соответствующие математическим членам в разложении возмущений. Они являются квантовыми флуктуациями базовых полей, подчиняющихся принципу неопределённости Гейзенберга (ΔE·Δt ≥ ħ/2 — невозможно одновременно точно знать энергию и время), что позволяет на короткое время заимствовать энергию из вакуума для рождения пар частица-античастица.

История

Концепция выросла из работ по квантовой электродинамике (КЭД). Поль Дирак в 1927 г. ввёл теорию излучения и поглощения, а идею виртуальных частиц формализовали в конце 1940-х годов Ричард Фейнман, Джулиан Швингер и Синъитиро Томонага, за что получили Нобелевскую премию. Термин ввёл, вероятно, Уилер. Джон Уилер также исследовал квантовую пену, где виртуальные частицы стоят за изрезанную геометрию на планковских масштабах.

Как работает

Согласно принципу неопределённости, вакуумные флуктуации полей рождают виртуальные пары. В КЭД виртуальные фотоны переносят электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами: каждая вершина на фейнмановской диаграмме отвечает акту испускания или поглощения виртуальной частицы. Они могут быть 'вне массовой оболочки' (их энергия-импульс не удовлетворяет E² = p²c² + m²c⁴), в отличие от реальных частиц. Эффекты виртуальных частиц проявляются в поляризации вакуума, лэмбовском сдвиге, аномальном магнитном моменте электрона и, макроскопически, в эффекте Казимира, где между двумя близкими проводящими пластинами возникает сила притяжения из-за разницы в плотности виртуальных фотонов снаружи и внутри.

\Delta E \Delta t \geq \frac{\hbar}{2}

ΔE — неопределённость энергии; Δt — неопределённость времени; ħ = h/(2π) ≈ 1.054571817×10⁻³⁴ Дж·с — редуцированная постоянная Планка.

Открытые проблемы и интересные факты

Как объяснить космологическую постоянную, если энергия вакуума от виртуальных частиц предсказывается на 120 порядков больше наблюдаемой?; Какова роль виртуальных частиц в квантовой гравитации, особенно вблизи чёрных дыр, где они могут способствовать излучению Хокинга?; Можно ли экспериментально различить виртуальные и реальные частицы в ультракоротких временных масштабах?

💡 В сильных электромагнитных полях (например, вблизи ядер с большим зарядом) виртуальные электрон-позитронные пары могут стать реальными — это 'швингеровский механизм' рождения частиц, предсказанный в 1951 г.

Пока нет статей

виртуальная частица

История

Как работает

История

Как работает

История

Как работает

Открытые проблемы и интересные факты

Статьи по теме