Некоторые вопросы о виртуальных частицах

Читая о квантовой механике, я наткнулся на описание силы между двумя электронами в результате «обмена» двумя электронами виртуальными частицами.

До сих пор я понимал, что виртуальные частицы являются «предсказанием» принципа неопределенности и что их продолжительность жизни обратно пропорциональна их массе.

Стимулирует ли электрон (или вообще реальные частицы) создание виртуальных частиц? Если да, то почему?

Если эти ребята появляются и исчезают, то не будут ли они мешать реальным частицам? Если это так, то я предполагаю, что среднее воздействие на частицу равно нулю, поскольку рождение совершенно случайно, как и импульсы частиц. Это верно?

Небольшой совет, когда вы начинаете обсуждать физику на таком фундаментальном уровне, как этот, "почему?" вопросы становятся поистине бесполезными. Обмен виртуальными частицами — это то, как мы описываем фундаментальные взаимодействия в КТП. Если бы мы могли объяснить, почему частицы взаимодействуют таким образом, с точки зрения более фундаментальных взаимодействий, то это просто переложило бы ответственность за то, какие взаимодействия являются фундаментальными. Я полагаю, что где-то в сети есть отличный клип Фейнмана, посвященный этому вопросу.
Вопрос в порядке. Сколько раз мы слышим, как академические физики, профессора спрашивают «почему?» вопросы?! Ясно, что никто не занимается нелепым антропоморфизмом с электроном. В вашем примере фундаментальные взаимодействия. Салам мог бы спросить; почему гиперзаряд квантуется? А, потому что калибровочные группы СМ вложены в неабелеву простую группу :)
Я согласен с тем, что слово «почему» в конечном счете может быть лишено смысла в физике, но здесь я использую его как краткую форму вопроса «Как это объясняется или представляется таковым?».
@ChrisWhite Ах да, это именно тот клип, о котором я говорил. Я мог часами слушать разговоры этого человека.

Ответы (2)

Во-первых, виртуальные частицы действительно являются следствием принципа неопределенности — без всяких кавычек. Виртуальные частицы - это те, которые не удовлетворяют правильному закону дисперсии.

Е "=" м 2 с 4 + п 2 с 2
потому что они имеют разное значение энергии на Δ Е . За такое "неправильное" значение энергии им приходится занимать (или давать взаймы) Δ Е от остальной Вселенной. Это возможно в течение ограниченного периода времени Δ т до тех пор, пока «отрицательное» соотношение неопределенности время-энергия
Δ т ⋅ Δ Е ≤ ℏ / 2
подчиняется. Энергию просто не измерить Е в течение слишком короткого промежутка времени Δ т точнее чем с ошибкой Δ Е дается приведенной выше формулой, которая позволяет заимствовать / одалживать столько энергии за такое короткое время.

Практически по определению виртуальные частицы — это эффекты, которые выглядят как временное существование реальной частицы, ограниченной во времени приведенным выше неравенством. Чем виртуальнее частица – тем больше отклонение энергии Δ Е is – тем короче временной масштаб, в котором могут действовать виртуальные частицы. В пределе Δ Е → 0 , виртуальные частицы становятся «настоящими», а значит, их тоже можно наблюдать. При ненулевом значении их нельзя наблюдать, и они являются просто «промежуточными эффектами между измерениями», которые изменяют поведение других частиц. Наиболее явно виртуальные частицы появляются как пропагаторы (внутренние линии) диаграммы Фейнмана.

Электрон не обязательно «симулирует» кого-либо, что бы это ни означало. Вместо этого электрон может «излучать» виртуальную частицу, такую ​​как фотон. Испускание реального фотона невозможно из-за сохранения энергии/импульса: в начальной системе покоя электрона энергия равна м е с 2 но она увеличилась бы как за счет дополнительной кинетической энергии последнего движущегося электрона, так и за счет энергии положительного фотона, тем самым нарушив закон сохранения энергии. Но электрон может испустить виртуальный фотон, для которого фактически нарушается закон сохранения энергии (или фотон имеет другую энергию, возможно, отрицательную, чем должна иметь), что нормально для времени Δ т описано выше. Пока фотон исчезает до этого Δ т наступает крайний срок – она поглощается другой заряженной частицей, все в порядке, и эта промежуточная история вносит свой вклад в амплитуды вероятности. Вот почему заряженные частицы влияют друг на друга благодаря электромагнетизму; так действуют виртуальные фотоны.

Что касается последнего вопроса, то да, виртуальные частицы могут мешать реальным. Например, если мы изучаем процессы во внешнем электрическом поле, создаваемом множеством когерентных длинноволновых фотонов, то все равно будут фейнмановские диаграммы с виртуальными фотонами. Амплитуды из этих диаграмм должны быть добавлены к амплитудам с реальным классическим электрическим полем, и только результат (сумма) возводится в квадрат по модулю. Вот что мы подразумеваем под вмешательством.

И да, воздействие виртуальных частиц на изолированный электрон одинаково вероятно во всех направлениях и в этом смысле «усредняется». Состояние электрона с четко определенным 3-импульсом по-прежнему остается собственным энергетическим состоянием и движется прямолинейно. Однако из-за постоянного испускания и повторного поглощения некоторых виртуальных частиц реальное электроноподобное собственное энергетическое состояние имеет вокруг себя «облако» виртуальных фотонов. Симметрии теории, такие как калибровочная симметрия и симметрия Лоренца, не нарушаются виртуальными фотонами. В конце концов, виртуальные фотоны являются результатом теории, чей лагранжиан соблюдает эти симметрии и никакая аномалия их не нарушает.

Если виртуальный фотон может быть поглощен до Δ т срок подходит, не должно ли это означать, что такое взаимодействие возможно только в очень малых космических масштабах из-за конечной скорости света? Как тогда электроны могут взаимодействовать в больших масштабах? Или, может быть, у виртуального фотона может быть сколь угодно малая энергия, которая позволила бы ему жить достаточно долго, чтобы путешествовать очень далеко?
Спасибо за развернутый ответ. Что именно вызывает испускание виртуального фотона электроном? Поскольку силу между двумя электронами можно обнаружить, электроны должны излучать больше виртуальных фотонов, чем пустое пространство, чтобы силу можно было измерить.
@Nick: я одобрил предложенное вами редактирование, но только из-за \geq против \leq.
Да, @Ruslan, в принципе да, конечность Δ т подразумевает, что взаимодействие не одинаково сильно на больших расстояниях. Но это не значит, что он ближний. Степенной закон уменьшения в порядке, и это фактически то, что предсказывается. Чтобы увидеть это количественно, нужно выяснить, как ведет себя фотонный пропагатор. Он просто не убывает экспоненциально быстро, потому что фотон не имеет массы. По сути, более медленное уменьшение влияния виртуальных фотонов связано с безмассовостью фотона. Да, два далеких электрона взаимодействуют через виртуальный фотон крошечной энергии.
Уважаемый @Lejon, испускание виртуальных фотонов, как и распад частицы на реальные фотоны (или другие частицы), является вероятностным процессом, точное время которого невозможно предсказать детерминистически, как и все остальное согласно квантовой механике. Из законов физики можно вычислить только амплитуды вероятностей, и правильного манипулирования этими амплитудами достаточно, чтобы предсказать все, что мы можем реально измерить.
@dj_mummy, в квантовой механике коллапсов не бывает. Это особенно важно для расчета промежуточных процессов, таких как обмен виртуальными фотонами, которые зависят от квантовой когерентности. ... Декогеренция - это быстрая диагонализация матрицы плотности систем, взаимодействующих со сложной средой. Этот вопрос касается двух заряженных частиц и виртуальных фотонов, поэтому нет обширной среды и нет декогерентности. Поэтому ваш вопрос о декогеренции здесь совершенно не по теме.
Хм... Теперь, когда я проверил, правка Ника была неправильной! Ответ говорит "отрицательно".!
@LubošMotl Да, но на самом деле это не объясняет, почему вероятность того, что электрон должен излучать фотон, выше, чем должно излучать свободное пространство.
Я не знаю, согласен ли я с этим ответом - я действительно не понимаю, как вы вообще можете оправдать виртуальные фотоны как "реальную" сущность - это конструкции, разрешенные тем фактом, что вы можете написать гамильтониан взаимодействия в терминах вершин и пропогаторов. Но они являются артефактом теории возмущений: если бы вы могли решить точную задачу рассеяния, у вас не было бы линейной комбинации диаграмм Фейнмана, у вас было бы просто непертурбативное решение задачи рассеяния (по крайней мере, i не видел доказательств того, что ряд теории возмущений сходится к точному решению).
Дорогой @lejon, вакуум может излучать только фотон с нулевым импульсом и нулевой энергией, который в любом случае будет ненаблюдаем (сохранение энергии и импульса). Дело здесь в том, что виртуальный фотон испускается заряженной частицей, конечный вектор энергии-импульса которой отличается от начального, поэтому испущенный фотон имеет ненулевую энергию и/или импульс (при этом он еще не подчиняется Е "=" п с ). Такой фотон с ненулевой энергией или импульсом может в процессе делать другие вещи, в отличие от фотона с нулевой энергией и нулевым импульсом, который вы обсуждали.
Уважаемый @Jerry, согласно квантовой механике, ничто, даже «настоящие частицы», не является реальным в классическом смысле, поэтому ваше возражение совершенно несущественно в контексте КМ. Вы говорите, что виртуальные частицы — это артефакты теории возмущений — пропагаторы в пертурбативных диаграммах Фейнмана — и вы правы. Но реальные частицы «каких-то определенных типов» тоже являются артефактами теории возмущений. Они создаются операторами рождения, которые имеют только простой коммутатор с гамильтонианом в пределе свободной теории.
Я могу принять и противоположную точку зрения. Реальные частицы существуют как внешние состояния в гильбертовом пространстве, не зависящем от пертурбативных приближений. Справедливо. Но то же самое верно и для виртуальных частиц — они являются полюсами в точных амплитудах, и свойства этих полюсов (и других сингулярностей) также не зависят от пертурбативного приближения! Так что нет ничего более «зависимого от теории возмущений» от виртуальных частиц по сравнению с реальными частицами!
@dj_mummy, если ты не истолкуешь это неправильно, твой профессор сбил тебя с толку. Можно рассуждать о "сначала наблюдения", но в какой-то момент ему все равно придется разбираться в физике виртуальных частиц. Реальность дается квантовой механикой, которая только вероятностно предсказывает наблюдения. Но расчеты имеют множество структур, таких как виртуальные частицы, и все равно нужно понимать, что они физически означают, а что нет, каковы их взаимодействия и отношения с реальными частицами и так далее.
@LubošMotl: почему полюса в расширении возмущений обязательно сохраняются до точного непертурбативного решения? В принципе, не могут ли они быть отменены, например, полюсами более высокого порядка?
@LubošMotl Разве это не то, что показывает эффект Казимира, что можно наблюдать виртуальные частицы, созданные в пустом пространстве?

Я встречал этот вопрос в другом месте в Интернете, но я не могу вспомнить. Мой ответ предполагает, что вы имеете в виду виртуальные частицы, которые передают силы.

Идея здесь состоит в том, чтобы понять S-матрицу и амплитуды рассеяния. КТП — это исследование рождения и гибели частиц между двумя наблюдениями. Каждое взаимодействие рассеяния КТП имеет состояния «вход» и «выход», где состояния определены в схеме Хартри-Фока. Мы наблюдаем только состояния входа и выхода.

Приведу пример рассеяния электрона в электрическом поле. Итак, in-состояние (собственное состояние, которое мы создали) состоит из электрона с определенным импульсом и спином и фотона (от приложенного поля) с определенным импульсом и спиральностью.

Оставляем систему нетронутой и спустя долгое время снова наблюдаем. Теперь у нас есть состояние out. Существует вероятность получения всевозможных конфигураций электрона и фотона (ограниченных только сохранением импульса, энергии, заряда и т.д.).

Мы хотим узнать вероятность получения всех видов состояний out. Мы используем разложения в ряды для вычисления этой амплитуды. Фейнман и его коллеги придумали инструменты для отслеживания условий этого ряда. Мы представляем члены каждого члена ряда (где открытое состояние соответствует целому ряду), используя диаграммы Фейнмана. Для облегчения расчета мы используем на этих диаграммах виртуальные частицы.

Поскольку КТП имеет дело с прерывистыми наблюдениями, фактического обмена фотонами нет, только до и после состояний. Чтобы упростить математику, мы представим, что виртуальные частицы обменивались между состояниями входа и выхода.

Я рекомендую любую стандартную книгу QFT (например, Энтони Зи), чтобы получить четкое представление о том, как мы используем виртуальные частицы в качестве инструмента. Я надеюсь, что этот ответ является удовлетворительным.

РЕДАКТИРОВАТЬ: я взял временной интервал бесконечным, как я упоминал ранее. В реальной жизни это никогда не бывает, но это позволяет сохранить энергию в моем процессе рассеяния.

Некоторые вопросы о виртуальных частицах
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v