Могут ли виртуальные частицы стать реальными?

Мы часто сталкиваемся с необходимостью объяснить, как работает фундаментальная физика, широкой публике, незнакомой с физическими и математическими предпосылками. Обычно мы заканчиваем аналогиями — мощным инструментом, который может без объяснений дать аудитории приблизительное представление о том, как это работает. Но пока к аналогиям можно относиться серьезно — попытки использовать их для объяснения сложных явлений обычно приводят к кажущимся парадоксам, непониманию и путанице.

То же самое происходит снова и снова на этом форуме с виртуальными элементарными частицами. Видите ли, когда физики говорят о виртуальных частицах, они имеют в виду определенный тип флуктуаций в квантовом поле — том самом поле, которое порождает обычные (реальные) элементарные частицы. Эта флуктуация имеет четкий математический смысл как часть асимптотического ряда, описывающего фундаментальный объект теории – матрицу рассеяния, описывающую взаимодействия между реальными элементарными частицами. Вот почему обычно используется аналогия: эти флуктуации называются «виртуальными частицами», которые «опосредуют» взаимодействия.

Эта аналогия затрагивает правильные вопросы и многое говорит неподготовленной аудитории о скрытых явлениях. Но это только аналогия, и она имеет свои ограничения. Большинство вопросов новичков о виртуальных частицах можно и нужно решать в полной математической структуре, которая представляет собой взаимодействующую квантовую теорию поля. Любое объяснение, связанное с виртуальными частицами, просто махание рукой.

Виртуальные частицы не имеют динамики. Последнее всегда связано с состоянием, которое, в отличие от виртуальных частиц, обязательно соблюдает причинность. Следовательно, они не могут ничем «стать». См. https://www.physicsforums.com/insights/misconceptions-virtual-particles/

Таким образом, разговоры о том, что виртуальные частицы что-то делают, — это всегда просто иллюстрация какой-то лежащей в их основе формулы без какой-либо цели физической точности.

Был проведен новый эксперимент с ионами внутри атома без электронов, 2 пучка которых были ускорены и ускоритель частиц, сами острова несли виртуальные фотоны. Когда бобы приблизились, сами фотоны отреагировали, создав пары электронов и позитронов, как это сделали бы пучки настоящих протонов. Пары протон-антипротон действовали как настоящие пары, аннигилируя друг друга, создавая настоящие фотоны.

Да, виртуальные частицы могут быть реальными — подробности см. в моем последнем вопросе.

Какие частицы могут быть виртуальными? Только те, что в таблице Стандартной модели?

В одном из экспериментов, описанных командой Саваста, удалось превратить виртуальные фотоны в реальные с помощью 3-х уровневого искусственного атома. В ходе другого эксперимента в процессе реализации виртуальные фотоны генерируются как промежуточные этапы возбуждения двух искусственных атомов одним единственным фотоном.

В частности, я хотел бы подчеркнуть, что неправда, что виртуальные частицы не могут существовать в реальности. Верно то, что они не могут быть обнаружены из-за их проблемных характеристик (масса и другие). Но могут появиться на промежуточных стадиях экспериментов, и их эффекты можно проверить на окончательных данных.

Был проведен эксперимент, в котором виртуальные фотоны преобразуются в реальные фотоны.

Р. Стасси, А. Ридольфо, О. Ди Стефано, М. Дж. Хартманн и С. Саваста, «Спонтанное преобразование виртуальных фотонов в реальные в режиме сверхсильной связи», arXiv: 1210.2367v2

Вот суть эксперимента:

Мы рассматриваем трехуровневый эмиттер, в котором переход между двумя верхними уровнями очень сильно связан с резонаторной модой, и показываем, что спонтанная релаксация эмиттера из промежуточного состояния в основное сопровождается рождением фотонов в резонаторной моде (см. Рис. 1).... Гамильтониан реалистичной системы атом-полость содержит так называемые члены, вращающиеся в противоположных направлениях, позволяющие одновременно создавать или аннигиляции возбуждения как в режиме атома, так и в режиме резонатора. Этими членами можно смело пренебречь для малых коэффициенты сцепления$Ω_R$в так называемом приближении вращающихся волн (RWA). Однако, когда$Ω_R$становится сравнимой с резонансной частотой резонатора излучателя или резонансной частотой моды резонатора, ожидается, что проявятся члены, вращающиеся в противоположных направлениях.

Термин «виртуальная частица» использовался в прошлом в диаграммах Фейнмана только для упрощения вычислений. Таких «частиц», вероятно, не существует в природе.

В статье, которую я рекомендовал

Р. Стасси, А. Ридольфо, О. Ди Стефано, М. Дж. Хартманн и С. Саваста, «Спонтанное преобразование виртуальных фотонов в реальные в режиме сверхсильной связи», arXiv: 1210.2367v2,

описан эксперимент, в котором из вакуума появляются фотоны, названные авторами «виртуальными», потому что они не могут быть обнаружены по отдельности: они возникают на промежуточных стадиях описываемых процессов и нарушают закон сохранения энергии. Поэтому об этих стадиях можно только догадываться, но не наблюдать.

Термин «виртуальные», используемый для этих фотонов, вызывает путаницу с виртуальными частицами на диаграмме Фейнмана. Но это два разных типа виртуальных частиц. В отличие от виртуальных частиц Фейнмана, виртуальные фотоны Савасты не отличаются по своим свойствам от реальных фотонов. Как было сказано выше, «виртуальность» фотонов Савасты заключается в том, что их вмешательство в процесс нарушает закон сохранения энергии. Поэтому они проявляются не в начальной и конечной стадиях процесса, которые являются проверяемыми стадиями, а в промежуточных стадиях, о которых можно только догадываться, но не обнаруживать.