Как пион может иметь массу, если он является «медиатором поля» и непрерывно создается/уничтожается?

Может быть, некоторые из моих предположений здесь в основном неверны, но разве это не правда, что

  • пион является «посредником» для сильного силового поля.
  • квантовая теория поля в основном говорит, что полей нет, вместо этого все силы вызваны постоянным обменом частицами-посредниками.

Так что для меня это выглядит так, как будто две частицы в ядре, которые удерживаются вместе сильным взаимодействием, все время «посылают» эти пионные частицы. Но во всех ссылках говорится, что эти частицы имеют массу! Почему это не означает, что масса постоянно создается/уничтожается? Влияет ли каким-то образом на массу целых ядер постоянный поток пионов? Если вопрос в основном не имеет значения, какие самые важные части я здесь упускаю?

Почему вы думаете, что теория под названием «Квантовая теория поля » утверждает, что полей нет? На самом деле поля — это фундаментальные объекты, тогда как частицы — это «всего лишь» возбуждения; более того, виртуальные частицы, действующие как посредник силы, на самом деле не частицы, а (возможно) артефакты теории возмущений.
Мне, очевидно, придется изучить это больше, но разве, например, пионы не являются реальными, обнаруженными, наблюдаемыми частицами? Я читал, что мы можем даже «наблюдать» эффекты свободных пионов от космических лучей?
пионы есть, но виртуальных пионов нет
Изучите QM, говорили они; будет весело, говорили они. :П

Ответы (2)

Два момента:

  • Обмен пионами (или, в более общем смысле, обмен легкими мезонами) является разумным приближением (также известным как «эффективная теория») сильного взаимодействия, поскольку оно действует на нуклоны в ядре, но это не настоящее сильное взаимодействие, которое передается глюонами.

    Другими словами, пионы вообще не являются силовыми посредниками.

  • На самом деле это не проблема с массивными посредниками. Слабое взаимодействие переносится бозонами W и Z с массами 80 и 90 ГэВ соответственно.

Я думал, что частицы силы могут быть массивными (потому что они в любом случае только виртуальны), но только при условии, что сила ограничена по радиусу действия. Имеет ли это смысл?
@AlanSE Да, тяжелые носители вводят ограничения по дальности, а масса пиона более или менее отвечает за дальность действия межнуклонной силы. Как я уже сказал, модель пионного обмена — хорошая эффективная теория.
Так широко используемое приближение предполагает создание/уничтожение массы/энергии? Несмотря на принцип энергосбережения? Это та часть, которую я не понимаю, как мы можем говорить, что любые посредники поля (то есть частицы, которые создаются все время, я полагаю?) могут иметь массу, если это противоречит закону сохранения энергии?
@Cray: спорный аргумент заключается в том, что из-за неопределенности все идет, пока действие не превышает

Носителями фундаментальных взаимодействий являются калибровочные бозоны, и калибровочные симметрии запрещают им иметь массу. Единственный способ, которым они могут набрать массу, — это механизм Хиггса, как в случае W и Z, т. е. калибровочная симметрия должна спонтанно нарушаться.

Так что в некотором смысле вы правы, посредники фундаментальной силы должны быть безмассовыми, но не по причине, которую вы указали, и есть пункт о выходе, если действует механизм Хиггса.

Но пионы не являются посредниками фундаментальных сил и не являются калибровочными бозонами, поэтому по этой причине от них не требуется быть безмассовыми. Однако во всем этом есть интересный поворот: на самом деле можно понимать пионы как бозоны Намбу-Голдстоуна со спонтанно нарушенной киральной симметрией (нарушенной ненулевым вакуумным средним значением кваркового конденсата). Если бы киральная симметрия была точной, то пионы действительно должны были бы быть безмассовыми (по теореме Голдстоуна). Однако киральная симметрия является лишь приблизительной симметрией, поскольку она явно нарушается массами кварков. По этой причине пионам разрешено иметь (маленькую) массу, и поэтому они называются «псевдо»-бозонами Намбу-Голдстоуна.

Надеюсь, вышеизложенное поможет объяснить ситуацию с массами силовых посредников и пионов. Однако я чувствую, что ваше настоящее замешательство заключается в том, что вы не можете понять, как силовой посредник может иметь массу, поскольку вы думаете, что это каким-то образом влияет на взаимодействующие частицы способом, который не наблюдается. Вы, кажется, беспокоитесь о том, что взаимодействующие частицы должны создавать и разрушать массу. Но зачем так беспокоиться о массе? Даже с безмассовым силовым посредником взаимодействующим частицам по-прежнему необходимо создавать и разрушать энергию переносимого медиатора, а масса - это просто одна из форм энергии, поэтому, согласно вашим рассуждениям, вы должны одинаково хорошо заботиться как о массивных, так и о безмассовых носителях силы.

Но ваши рассуждения должны вас как раз не касаться, зачем вас беспокоит этот постоянный обмен энергией? Ведь частицы взаимодействуют, а как иначе они могли бы это сделать? Очень простая аналогия того, как обмен массивными частицами может создать силу, была бы, если бы два человека сидели в лодках и продолжали бросать друг в друга тяжелый мяч, они раздвигались бы, и казалось бы, что обмен массивным мячом производит отталкивающая сила.

Приведенная выше аналогия не слишком близка к реальной ситуации и, например, не может объяснить силы притяжения, но она, по крайней мере, показывает, что в такой ситуации вам не следует беспокоиться о переносе массы или энергии. Чтобы действительно понять, как виртуальные частицы могут передавать силу, вам нужно провести расчеты и понять, что виртуальные частицы на самом деле вовсе не частицы, а нечастицподобные возмущения в соответствующих полях. Вы также должны помнить, что любая взаимодействующая частица постоянно создает и уничтожает виртуальные частицы в своей окрестности - создание и уничтожение виртуальных частиц, в первую очередь, являются просто неотъемлемой частью определения частицы.

Вы правы, создание/уничтожение энергии меня тоже смущает, я просто взял массу в качестве примера, мне показалось проще построить вопрос о ней. Но так ли это: все частицы-посредники взаимодействия на самом деле «виртуальны» и никогда не могут быть обнаружены, даже если бы можно было каким-то образом, скажем, попасть между двумя протонами в ядре и попытаться обнаружить, что там происходит? (Конечно, невозможное предложение, но если бы это было возможно)? Кроме того, чего на самом деле дает объяснение поля с помощью количественных посредников? Что это объясняет, если они все виртуальные?
Да, все посредники силы являются виртуальными частицами. Частица определяется как асимптотическое состояние, бесконечно далекое от других частиц. Так что виртуальные частицы не являются таковыми и не могут быть обнаружены как таковые. О них следует думать просто как о возмущениях в поле, а название «частица» немного неправильное. Я бы сказал, что использование посредников частиц в подходе к диаграмме Фейнмана, где мы представляем взаимодействие полей путем обмена одной или несколькими виртуальными частицами для представления пертурбативного расчета. Но это скорее математический инструмент, чем реальная картина реальности.