Віртуальная часціца

Віртуальная часціца — некаторы абстрактны аб'ект у квантавай тэорыі поля, які мае квантавыя лікі адной з рэальных элементарных часціц (з масай $m$), для якога, аднак, не выконваецца звычайная сувязь паміж энергіяй і імпульсам ($E^{2}\not =m^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}$). Віртуальныя часціцы не могуць «адляцець на бесканечнасць»; яны нараджаюцца і павінны пасля ці паглынуцца якой-небудзь часціцай, ці проста распасціся. Можна сказаць, што віртуальныя часціцы — гэта і ёсць механізм, які ажыццяўляе ўзаемадзеянне.

Віртуальнасць часціцы характарызуецца рэлятывісцкі-інварыянтнай велічынёй $Q^{2}=E^{2}-p^{2}c^{2}-m^{2}c^{4}$, прычым $Q^{2}$ можа быць як дадатнай, так і адмоўнай велічынёй. Вобласць значэнняў E і p, пры якіх віртуальнасць роўна нулю, называецца масавай паверхняй ці масавай абалонкай часціцы.

Хоць маса і энергія віртуальных часціц не абмежаваныя, іх існаванне не парушае закон захавання энергіі, бо час існавання віртуальных часціц абмежаваны прынцыпам нявызначанасці:

$t<{\frac {\hbar }{E}},$

такім чынам, чым большая энергія $E$ віртуальнай часціцы, тым меншы час $t$ яна можа існаваць. Таму ў прыродзе могуць існаваць такія палі, як поле Хігса і поле слабага ўзаемадзеяння, хоць іх часціцы вельмі масіўныя. Аднак, радыус дзеяння масіўных палёў абмежаваны. А ў бязмасавых, такіх як электрамагнітнае і гравітацыйнае, час існавання віртуальных часціц, а, такім чынам, і радыус дзеяння, не абмежаваны.

Эфекты, звязаныя з элементарнымі часціцамі

Часта наяўнасцю віртуальных часціц тлумачацца наступныя эфекты:

• Спантанная эмісія фатона ў працэсе распада ўзбуджанага атама ці ядра; такі распад немагчым паводле законаў звычайнае квантавае фізікі і патрабуе квантыфікацыі электрамагнітнага поля для тлумачэння,
• Эфект Казіміра, які заключаецца ва ўзаемнам прыцягненні ці адштурхоўванні незараджаных немагнітных цел пад дзеяннем квантавых флуктуацый у вакууме,
• Палярызацыя вакууму, якая ўключае генерацыю пары часціца-антычасціца ці «распад вакууму», як, напрыклад, спантанная генерацыя электрон-пазітроннай пары,
• Выпраменьванне Хокінга, якое адбываецца ў моцным гравітацыйным полі, такім, напрыклад, як каля чорных дзірак.
• Выпраменьванне Унру — эфект аналагічны выпраменьванню Хокінга, але назіраецца пры паскарэнні часціц.

Фізічны сэнс

Строга кажучы, віртуальныя часціцы — гэта ў большай ступені матэматычная з'ява, чым фізічная рэальнасць. Сапраўды, у квантавай тэорыі поля ў дакладных выразах для працэсаў узаемадзеяння рэальных часціц ніякія віртуальныя часціцы не фігуруюць. Калі, аднак, паспрабаваць спрасціць дакладны выраз у рамках тэорыі абурэнняў, расклаўшы яго ў рад па канстанце ўзаемадзеяння (малому параметру тэорыі), то ўзнікае бесканечны набор складнікаў. Кожны з членаў гэтага рада выглядае так, нібыта ў працэсе ўзаемадзеяння ўтвараюцца і знікаюць аб'екты, якія маюць квантавыя лікі рэальных часціц. Аднак гэтыя аб'екты распаўсюджваюцца ў прасторы па закону, адрознаму ад рэальных часціц, і таму калі іх трактаваць як выпраменьванне і паглынанне часціцы, то трэба будзе прыняць, што для іх не выконваецца сувязь паміж энергіяй і імпульсам. Такім чынам, віртуальныя часціцы з'яўляюцца толькі тады, калі мы пэўным чынам спрашчаем зыходны выраз.

Нягледзячы на некаторую фіктыўнасць тэрміна «віртуальная часціца», у многіх выпадках гэта даволі зручны спосаб апісання ўзаемадзеяння. У прыватнасці, грувасткасць вылічальных працэсаў рэзка падае, калі папярэдне скласці правілы нараджэння, знішчэння і распаўсюджання гэтых віртуальных часціц (правілы Фейнмана) і адлюстраваць працэс графічна, з дапамогай дыяграм Фейнмана.

Часам, у мэтах нагляднасці, канцэпцыю «віртуальных часціц» тлумачаць інакш. А іменна, кажуць, што ў працэсе ўзаемадзеяння закон захавання энергіі выконваецца не строга, а з некаторай хібнасцю. Гэта не супярэчыць квантавай механіцы: згодна з суадносінамі неазначальнасцей, падзея, якая доўжыцца канечны прамежак часу, не дазваляе зафіксаваць энергію з дакладнасцю вышэй за некаторую граніцу. Груба кажучы, прамежкавыя часціцы «пазычаюць энергію» на некаторы невялікі час. У гэтым выпадку ў працэсе ўзаемадзеяння могуць нараджацца і знікаць звычайныя часціцы, толькі з невялікім парушэннем закона захавання энергіі.

Спасылкі

• Виртуальные частицы — артыкул з Фізічнай энцыклапедыі (руск.)
• Учёные извлекли реальные фотоны из виртуальных частиц. Архівавана 4 сакавіка 2016. (руск.)