Сандық физикадағы уақытша бөлшектер

Кіріспе

Өтпелі кванттық флуктуация (физика) байланысты мақалалар

Transient quantum fluctuation (physics)

related articles

A virtual particle is a theoretical transient particle that exhibits some of the characteristics of an ordinary particle, while having its existence limited by the uncertainty principle, which allows the virtual particles to spontaneously emerge from vacuum at short time and space ranges. The concept of virtual particles arises in the perturbation theory of quantum field theory (QFT) where interactions between ordinary particles are described in terms of exchanges of virtual particles. A process involving virtual particles can be described by a schematic representation known as a Feynman diagram, in which virtual particles are represented by internal lines. Virtual particles do not necessarily carry the same mass as the corresponding ordinary particle, although they always conserve energy and momentum. The closer its characteristics come to those of ordinary particles, the longer the virtual particle exists. They are important in the physics of many processes, including particle scattering and Casimir forces. In quantum field theory, forces—such as the electromagnetic repulsion or attraction between two charges—can be thought of as resulting from the exchange of virtual photons between the charges. Virtual photons are the exchange particles for the electromagnetic interaction. The term is somewhat loose and vaguely defined, in that it refers to the view that the world is made up of "real particles". "Real particles" are better understood to be excitations of the underlying quantum fields. Virtual particles are also excitations of the underlying fields, but are "temporary" in the sense that they appear in calculations of interactions, but never as asymptotic states or indices to the scattering matrix. The accuracy and use of virtual particles in calculations is firmly established, but as they cannot be detected in experiments, deciding how to precisely describe them is a topic of debate. Although widely used, they are by no means a necessary feature of QFT, but rather are mathematical conveniences as demonstrated by lattice field theory, which avoids using the concept altogether.

Виртуалды бөлшек – теориялық, өтпелі бөлшек, ол қалыпты бөлшектің кейбір қасиеттерін көрсетеді, бірақ оның болуы белгісіздік принципімен шектеледі. Бұл виртуалды бөлшектердің қысқа мерзімдік және кеңістіктік диапазонда вакуумнан спонтанды түрде пайда болуына мүмкіндік береді. Виртуалды бөлшектердің түсінігі кванттық өріс теориясының (QFT) бұзылу теориясында туындайды, онда қалыпты бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесулер виртуалды бөлшектердің алмасуы арқылы сипатталады. Виртуалды бөлшектерге қатысты процесті Фейнман диаграммасы деп аталатын схемалық түрде бейнелеуге болады, онда виртуалды бөлшектер ішкі сызықтармен көрсетіледі. Виртуалды бөлшектер энергия мен импульстің сақталуын қамтамасыз етеді, бірақ олар сәйкес келетін қалыпты бөлшектермен бірдей массаға ие болуы міндетті емес. Оның қасиеттері қалыпты бөлшектерге қаншалықты жақын болса, виртуалды бөлшек соғұрлым ұзақ өмір сүреді. Олар бөлшектердің шашырауы және Казимир күштері сияқты көптеген физикалық процестерде маңызды рөл атқарады. Кванттық өріс теориясында екі заряд арасындағы электромагниттік тартылыс немесе тебіліс сияқты күштер, зарядтар арасындағы виртуалды фотондардың алмасуы нәтижесінде туындайды деп есептелуі мүмкін. Виртуалды фотондар электромагниттік өзара әрекеттесудің алмасу бөлшектері болып табылады. Бұл термин шамалы еркін және нақты анықталмаған, себебі ол әлемнің «нақты бөлшектерден» тұратындығына қатысты көзқарасты білдіреді. «Нақты бөлшектер» – бұл негізгі кванттық өрістердің қоздырылымдары ретінде жақсы түсініледі. Виртуалды бөлшектер де негізгі өрістердің қоздырылымдары болып табылады, бірақ олар өзара әрекеттесуді есептеуде пайда болады, яғни «уақытша» сипатқа ие, бірақ ешқашан асимптотикалық күйлерге немесе шашырату матрицасының индекстеріне жатпайды. Виртуалды бөлшектердің есептеулердегі дәлдігі және қолданылуы толыққанды дәлелденген, бірақ оларды эксперименттерде анықтау мүмкін болмағандықтан, оларды қалай дәл сипаттау керектігі талқылау тақырыбы болып табылады. Олар кеңінен қолданылса да, QFT-нің қажетті ерекшелігі емес, керісінше, математикалық ыңғайлылық құралы болып табылады, бұл торлы өріс теориясымен көрсетілген, ол мүлдем осы түсінікті қолданбайды.

Қасиеттері

Виртуалды бөлшектер туралы түсінік кванттық өріс теориясының бұзылу теориясында туындайды, онда нақты бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесулер (мәні бойынша күштер) виртуалды бөлшектердің алмасуы арқылы есептеледі. Мұндай есептеулер көбінесе Фейнман диаграммалары деп аталатын схемалық бейнелерді пайдалана отырып жүргізіледі, онда виртуалды бөлшектер ішкі сызықтар ретінде бейнеленеді. Өзара әрекеттесуді төрт импульсті виртуалды бөлшектің алмасуы арқылы өрнектеу арқылы, мұнда q – өзара әрекеттесу төбесіне кіретін және шығатын бөлшектердің төрт импульсі арасындағы айырмашылықпен беріледі, Фейнман диаграммасының өзара әрекеттесу төбелерінде импульс және энергия сақталады. Виртуалды бөлшек энергия-импульс қатынасын қатаң сақтамайды. Оның кинетикалық энергиясы жылдамдыққа қатысты әдеттегі байланысқа ие болмауы мүмкін. Ол теріс болуы мүмкін, бұл «массалық қабықтан шығу» деп аталады. Виртуалды бөлшектердің күштерінің радиусы белгісіздік принципімен шектеледі, ол энергия мен уақытты байланысты айнымалылар ретінде қарастырады; сондықтан, үлкен массалы виртуалды бөлшектердің радиусы шектеулі болады. Физика теңдеулеріндегі стандартты математикалық жазбада виртуалды және нақты бөлшектер арасындағы айырмашылықты көрсететін белгі жоқ. Виртуалды бөлшектің қатысуымен жүретін процестердің амплитудалары оның қатыспауымен жүретін процестердің амплитудаларымен араласады, ал нақты бөлшектің болуы мен болмауы жағдайлары бір-бірімен сәйкес келмейді және енді араласпайды. Кванттық өріс теориясы бойынша нақты бөлшектер – бұл негізгі кванттық өрістердің анықталатын қоздырылулары. Виртуалды бөлшектер де негізгі өрістердің қоздырылулары ретінде қарастырылады, бірақ олар күш ретінде ғана көрінеді, анықталатын бөлшектер ретінде емес. Олар «уақытша» болып табылады, себебі олар кейбір есептеулерде пайда болады, бірақ жеке бөлшектер ретінде анықталмайды. Сондықтан, математикалық тұрғыдан алғанда, олар шашырау матрицасының индекстері ретінде ешқашан пайда болмайды, яғни олар физикалық процестің модельделуінің байқалатын кірістері мен нәтижелері ретінде ешқашан пайда болмайды. Қазіргі физикада виртуалды бөлшектер туралы түсінік екі негізгі жолмен пайда болады. Олар Фейнман диаграммаларында аралық мүшелер ретінде, яғни бұзылу есептеулеріндегі мүшелер ретінде пайда болады. Олар сондай-ақ жартылай бұзғыш емес әсерді есептеу кезінде қосылатын немесе интегралданатын шексіз күйлер жиынтығы ретінде пайда болады. Соңғы жағдайда кейде виртуалды бөлшектер әсерге араласатын механизмға үлес қосады немесе әсер виртуалды бөлшектер арқылы пайда болады делінеді. Радиоантенналардың жақын өрісінің көп бөлігі, антенна сымындағы өзгермелі токтан туындаған магниттік және электрлік әсерлер, сондай-ақ сымның сыйымдылық зарядынан туындаған зарядтық әсерлер, жалпы ЭМ өрісіне маңызды үлес қосуы мүмкін (көбінесе солай болады), бірақ бұл екі әсер де антеннадан қашықтық артқан сайын «қалыпты» электромагниттік толқындардың әсерінен гөрі тез жойылатын дипольдік әсерлер болып табылады. Бұл алыс өріс толқындары, олар үшін E (қашықтық шексіз болғанда) cB-ге тең, нақты фотондардан тұрады. Нақты және виртуалды фотондар антеннаның жанында араласады, виртуалды фотондар тек «қосымша» магниттік индукциялық және өтпелі электр дипольдік әсерлеріне жауап береді, бұл E және cB арасындағы тепе-теңдікті бұзады. Антеннадан қашықтық артқан сайын жақын өріс әсерлері (дипольдік өрістер ретінде) тез жойылады және тек нақты фотондарға байланысты «сәулелену» әсерлері ғана маңызды болып қалады. Виртуалды әсерлер шексіздікке дейін созылса да, олардың өріс күші 1/r-ге тең келетін нақты фотондардан тұратын ЭМ толқындарының өрісінен гөрі төмендейді. Олардың көпшілігі қатты дене физикасында ұқсас әсерлерге ие; шындығында, осы жағдайларды қарастыру арқылы көбінесе жақсы интуитивті түсінік алуға болады. Жартылай өткізгіштерде өріс теориясындағы электрондардың, позитрондардың және фотондардың рөлі өткізгіштік жолақтағы электрондармен, валенттік жолақтағы бос орындармен және кристалдық тордың фонондарымен немесе тербелістерімен ауыстырылады. Виртуалды бөлшек виртуалды күйде болады, онда ықтималдық амплитудасы сақталмайды. Гүнтер Нимц және Альфонс А. Штальхофен туннельдеу процесінде макроскопиялық виртуалды фонондардың, фотондардың және электрондардың мысалдарын келтірді.

The concept of virtual particles arises in the perturbation theory of quantum field theory, an approximation scheme in which interactions (in essence, forces) between actual particles are calculated in terms of exchanges of virtual particles. Such calculations are often performed using schematic representations known as Feynman diagrams, in which virtual particles appear as internal lines. By expressing the interaction in terms of the exchange of a virtual particle with four momentum q, where q is given by the difference between the four momenta of the particles entering and leaving the interaction vertex, both momentum and energy are conserved at the interaction vertices of the Feynman diagram. A virtual particle does not precisely obey the energy–momentum relation Its kinetic energy may not have the usual relationship to velocity. It can be negative. This is expressed by the phrase off mass shell. The range of forces carried by virtual particles is limited by the uncertainty principle, which regards energy and time as conjugate variables; thus, virtual particles of larger mass have more limited range. Written in the usual mathematical notations, in the equations of physics, there is no mark of the distinction between virtual and actual particles. The amplitudes of processes with a virtual particle interfere with the amplitudes of processes without it, whereas for an actual particle the cases of existence and non existence cease to be coherent with each other and do not interfere any more. In the quantum field theory view, actual particles are viewed as being detectable excitations of underlying quantum fields. Virtual particles are also viewed as excitations of the underlying fields, but appear only as forces, not as detectable particles. They are "temporary" in the sense that they appear in some calculations, but are not detected as single particles. Thus, in mathematical terms, they never appear as indices to the scattering matrix, which is to say, they never appear as the observable inputs and outputs of the physical process being modelled. There are two principal ways in which the notion of virtual particles appears in modern physics. They appear as intermediate terms in Feynman diagrams; that is, as terms in a perturbative calculation. They also appear as an infinite set of states to be summed or integrated over in the calculation of a semi non perturbative effect. In the latter case, it is sometimes said that virtual particles contribute to a mechanism that mediates the effect, or that the effect occurs through the virtual particles. Much of the so called near field of radio antennas, where the magnetic and electric effects of the changing current in the antenna wire and the charge effects of the wire's capacitive charge may be (and usually are) important contributors to the total EM field close to the source, but both of which effects are dipole effects that decay with increasing distance from the antenna much more quickly than do the influence of "conventional" electromagnetic waves that are "far" from the source. These far field waves, for which E is (in the limit of long distance) equal to cB, are composed of actual photons. Actual and virtual photons are mixed near an antenna, with the virtual photons responsible only for the "extra" magnetic inductive and transient electric dipole effects, which cause any imbalance between E and cB. As distance from the antenna grows, the near field effects (as dipole fields) die out more quickly, and only the "radiative" effects that are due to actual photons remain as important effects. Although virtual effects extend to infinity, they drop off in field strength as rather than the field of EM waves composed of actual photons, which drop as 1/r. Most of these have analogous effects in solid state physics; indeed, one can often gain a better intuitive understanding by examining these cases. In semiconductors, the roles of electrons, positrons and photons in field theory are replaced by electrons in the conduction band, holes in the valence band, and phonons or vibrations of the crystal lattice. A virtual particle is in a virtual state where the probability amplitude is not conserved. Examples of macroscopic virtual phonons, photons, and electrons in the case of the tunneling process were presented by Günter Nimtz and Alfons A. Stahlhofen.

Фейнман диаграммалары

Теориялық бөлшектер физикасында шашырау амплитудасын есептеу үшін көптеген айнымалылар бойынша үлкен және күрделі интегралдарды қолдану қажет. Дегенмен, бұл интегралдардың белгілі бір реттелген құрылымы бар және оларды Фейнман диаграммалары түрінде көрсетуге болады. Фейнман диаграммаларының тартымдылығы зор, себебі олар басқа жағдайда құпия және абстрактілі боларлық формуланы қарапайым визуализациялауға мүмкіндік береді. Атап айтқанда, тартымдылықтың бір бөлігі – Фейнман диаграммасының шығу тіректері нақты, импульсі белгілі бөлшектермен байланысты болуы мүмкін. Сондықтан, диаграммадағы басқа сызықтарды да "виртуалды бөлшектер" деп аталатын бөлшектермен байланыстыру табиғи. Математикалық тұрғыдан алғанда, олар диаграммадағы таратушыларға сәйкес келеді. Жанындағы суретте қатты сызықтар нақты бөлшектерге (импульсі p1 және т.б.) сәйкес келеді, ал нүктелі сызық импульсі k болатын виртуалды бөлшектерді көрсетеді. Мысалы, егер қатты сызықтар электромагниттік өзара әрекеттесу арқылы өзара әрекеттесетін электрондарды білдірсе, нүктелі сызық виртуалды фотон алмасуын білдіреді. Бір-бірімен өзара әрекеттесетін нуклондар жағдайында нүктелі сызық виртуалды пион болады. Кварктар күшті күш арқылы өзара әрекеттескен жағдайда нүктелі сызық виртуалды глюон болады, және т.б. Виртуалды бөлшектер мезондар немесе векторлық бозондар болуы мүмкін, мысалы жоғарыда келтірілген мысалда; олар фермиондар да болуы мүмкін. Алайда, кванттық сандарды сақтау үшін фермион алмасуын қамтитын көптеген қарапайым диаграммаларға тыйым салынады. Оң жақтағы суретте рұқсат етілген диаграмма, бір циклдық диаграмма көрсетілген. Қатты сызықтар фермион таратушысына, ал толқын тәрізді сызықтар бозондарға сәйкес келеді.

Вакуумдар

Формальды түрде, бөлшекті бөлшектік саны операторының a†a өзіндік күйі деп қарастырады, мұнда a – бөлшектік жойылма операторы және a† – бөлшектік тудыру операторы (кейде біріктіріліп, сатылық операторлар деп аталады). Көп жағдайда бөлшектік саны операторы жүйе үшін Гамильтон операторымен коммутацияламайды. Бұл кеңістіктің бір аймағындағы бөлшектер саны нақты анықталған шама емес, басқа кванттық өлшемдер сияқты, ықтималдық таралымымен бейнеленеді дегенді білдіреді. Осы бөлшектердің болуы анық емес болғандықтан, оларды виртуалды бөлшектер немесе вакуум энергиясының вакуумдық флуктуациялары деп атайды. Белгілі бір мағынада, оларды вакуумдағы уақыт-энергия белгісіздігі принципінің көрінісі ретінде түсінуге болады. Вакуумдағы виртуалды бөлшектердің "болуының" маңызды мысалы – Казимир эффектісі. Мұнда эффектті түсіндіру үшін вакуумдағы барлық виртуалды бөлшектердің энергиясын қосу қажет. Осылайша, виртуалды бөлшектердің өзі зертханада тікелей байқалмаса да, олар байқалатын әсер қалдырады: олардың нөлдік нүктелік энергиясы тиісті металл пластиналарға немесе диэлектриктерге әсер ететін күштерге алып келеді. Екінші жағынан, Казимир эффектісін релятивистік Ван дер Ваальс күші ретінде қарастыруға болады.

Жұппен өндіру

Виртуалды бөлшектер көбінесе жұптар түрінде сипатталады – кез келген түрдегі бөлшек пен антибөлшек. Бұл жұптар өте қысқа мерзімге ғана өмір сүреді, содан кейін бір-бірін жояды, немесе кейбір жағдайларда сыртқы энергия көмегімен ажыратылып, жойылмай нақты бөлшектерге айналуы мүмкін, бұл төменде сипатталғандай. Мұндай оқиға екі жолмен жүзеге асуы мүмкін. Үдемелі айналымдық жүйеде виртуалды бөлшектер үдемелі бақылаушыға нақты бөлшектердей көрінуі мүмкін; бұл құбылыс Унру эффектісі деп аталады. Қысқасы, тұрақты айналымдық жүйедегі вакуум үдемелі бақылаушыға термодинамикалық тепе-теңдіктегі нақты бөлшектердің жылы газы болып көрінеді. Тағы бір мысал – өте күшті электр өрістерінде жұптардың пайда болуы, кейде вакуумның ыдырауы деп те аталады. Мысалы, егер атом ядроларының жұбы бірігіп, қысқа ғана уақытқа 140-тан аса зарядқа ие ядроны құрса (яғни, бұл көрсеткіш құрылымдық тұрақтының кері шамасынан артық болса, ал құрылымдық тұрақты – өлшемсіз шама), электр өрісінің күші вакуумнан немесе Дирак теңізінен электрон-позитрон жұбын жасауға энергетикалық тұрғыдан тиімді болады, сонда электрон оң зарядты жою үшін ядроға тартылады. Бұл жұптардың пайда болу амплитудасын алғаш рет 1951 жылы Джулиан Швингер есептеген.

Нақты бөлшектермен салыстырғанда

Кванттық механикалық белгісіздіктің салдарынан, шектеулі уақыт немесе шектеулі көлемде өмір сүретін кез келген нысан немесе процесс нақты анықталған энергияға немесе импульсқа ие бола алмайды. Осы себепті, уақытша ғана болатын виртуалды бөлшектер – олар қалыпты бөлшектер арасында алмасып тұратындықтан – әдетте массалық қабық қатынасына бағынбайды; виртуалды бөлшек неғұрлым ұзақ өмір сүрсе, энергия мен импульс массалық қабық қатынасына соғұрлым жақындайды. Нақты бөлшектердің өмір сүру ұзақтығы виртуалды бөлшектердің өмір сүру ұзақтығынан әлдеқайда артық. Электромагниттік сәулелену шығарушы мен сіңіруші арасындағы жарық жылдарын қашықтықпен жүзе алатын нақты фотондардан тұрады, бірақ (Кулондық) электростатикалық тартым және тебілу – виртуалды фотондардың алмасуының салдарынан туындайтын салыстырмалы түрде қысқа радиустағы күш болып табылады.