Виртуальные частицы и физические законы

Причина многих противоречивых утверждений о природе виртуальных частиц заключается в том, что к ним часто обращаются для эвристического объяснения явлений, возникающих в рамках квантовой теории поля. Затем пытаются оправдать эти объяснения, приписывая определенные свойства виртуальным частицам, которыми они на самом деле не обладают.

Что такое виртуальные частицы на самом деле:

По определению, виртуальная частица — это внутренняя линия на диаграмме Фейнмана. Последние используются в пертурбативной квантовой теории поля, чтобы упростить вычисление разложений в ряды. Для этого рисуются такие диаграммы, для которых каждой линии и вершине (узлу) соответствует точное математическое выражение, которое необходимо записать. На этом уровне расчета отсутствует физическая интерпретация одной диаграммы Фейнмана, физический смысл придается только конечному результату расчета. Виртуальная частица, представляющая собой не что иное, как линию на вспомогательной диаграмме, сама по себе не имеет физического смысла.

Как они связаны с физически значимыми величинами:

Как упоминалось выше, виртуальные частицы возникают на диаграммах в пертурбативных разложениях величин, вычисляемых в рамках квантовой теории поля. Одной из таких величин будет энергия вакуума (отсюда утверждение «нет ничего лучше пустого пространства»), другими будут скорости распада частиц или сечения рассеяния, и есть много других примеров. Можно думать о виртуальных частицах как о математическом вкладе в конечный результат вычислений, но не более того. Будьте осторожны, чтобы не зайти слишком далеко в аналогии с частицей.

По поводу путаницы в их реальности:

Поскольку некоторые явления в квантовой (полевой) теории могут показаться нелогичными (например, энергия вакуума), для их объяснения удобнее обращаться к красивой простой картине. Это особенно верно при объяснении неспециалистам, чем, по сути, и занимается популярная наука (например, «Краткая история времени»).). Здесь в дело вступают виртуальные частицы: поскольку они вносят математический вклад в описание этих явлений, они также используются в эвристических объяснениях. Легко представить себе обмен частицами или пару частиц, созданных и аннигилирующих через короткое время. Но это не значит, что это на самом деле происходит в реальности. Красивая и простая картинка, не более того. Но если кто-то хочет дойти до серьезного отношения к их реальности, ему нужно привлечь дополнительные концепции, чтобы оправдать это. Вот почему неопределенность энергии/времени часто используется для объяснения существования виртуальных частиц.

Вот простая диаграмма Фейнмана.

упругое рассеяние электрона электрона, если время является осью y (упругое рассеяние электрона позитрона, если время является осью x)

Реальные частицы — это входящие и исходящие частицы, которые можно измерить в эксперименте в лаборатории. Обмениваемый фотон называется виртуальным.

Разница между реальными частицами и виртуальными частицами в математическом определении заключается в том, что виртуальные частицы находятся вне массовой оболочки, т.е. они имеют все квантовые числа, идентифицирующие частицу по ее имени, но не массу, которая может быть положительно отрицательной или нулевой в зависимости от интегрирования . Реальные частицы, кроме их квантовых чисел, также имеют идентифицирующую массу.

Это должно быть так, потому что диаграмма Фейнмана является символическим сокращением для интегрирования, которое происходит по всем внутренним переменным, определяющим сечение рассеяния двух электронов на два электрона.

В самом прямом смысле, что реально, а что виртуально, зависит от граничных значений нашего расчета. На этой диаграмме аннигиляции электрона позитрона на два кварка и глюон

электрон и позитрон известны на материальных оболочках реальных частиц, фотон виртуален, и в строгом смысле фейнмановской диаграммы, поскольку кварки и глюоны не могут быть свободными, а должны связываться с другими кварками и глюонами, исходящие также следует считать виртуальными. Туда мы подменяем понятие глюонной струи двумя кварковыми струями, которые можно хорошо измерить в лаборатории, и окрестим вылетающие три реальными.

Нормальный физический закон, нарушаемый виртуальными частицами, — это массовая оболочка, как объяснялось выше. Все остальные величины, которые идентифицируют частицы, присутствуют, поэтому у нас могут быть виртуальные электроны и виртуальные фотоны, это только масса, которая не учитывается в рамках вычислений величин, представляющих интерес в физическом измерении.

Принцип неопределенности Гейзенберга возникает, когда мы рассматриваем основные состояния энергии, и существуют диаграммы, на которых вакуум состоит из создаваемых и уничтожаемых виртуальных частиц, потому что мы никогда не можем измерить нулевую энергию из-за неопределенности Гейзенберга. Для HUP нет ничего, что ограничивало бы массу, поэтому в описании ситуаций с такими виртуальными частицами нет конфликта. Есть несколько ситуаций, когда влияние вакуумных флуктуаций можно измерить, одна из них — излучение Хокинга. Еще один эффект Казимира .

Изменить после комментариев :

Этот вопрос о значении слова «виртуальный» возникает снова и снова, и я полагаю, что путаница возникает из-за склонности большинства из нас смешивать три разные концепции:

1) Одной из основ являются символические диаграммы Фейнмана,

2) второй - математическая основа интегралов внутри интегралов в любом сечении и т. д. расчет,

3) и третья — измерительная/физическая/лабораторная база.

С большой изобретательностью Фейнман использовал сложные интегрирования в расчетах рассеяния до своего «изобретения» диаграмм и сделал взаимно однозначное соответствие математической основы последовательной системе диаграмм с правилами преобразования в интегрирование. Это чрезвычайно упростило настройку программы для расчетов.

Затем идет отождествление символических участков с лабораторными/измерительными рамками. Это делается путем взятия начальных значений из рассматриваемого эксперимента и прогнозирования значений для результата эксперимента.

Начальное и конечное состояния измеряются в лаборатории и прибивают математику к реальности/эксперименту, поэтому входящие и исходящие линии на диаграммах называются «реальными».

Промежуточные линии называются виртуальными частицами, потому что они, подобно виртуальному оптическому изображению, являются аналогом реальных частиц, поскольку несут все квантовые числа реальных частиц, кроме массы, они вне массовой оболочки.

Обычно эти три структуры логически не разделены, потому что в этом нет необходимости, нет проблем, если кто-то небрежно говорит о математике, диаграммах или лабораторных измерениях. Расчеты подходят и то, и другое.

При мысли о вакууме и об излучении Хокинга возникает путаница.

Мы можем рисовать диаграммы Фейнмана, которые соответствуют энергии нулевой точки с виртуальными частицами без входящих и исходящих линий. Граничные значения задаются принципом неопределенности Гейзенберга, который соответствует физической реальности (он не был признан недействительным как постулат для математического моделирования физики элементарных частиц с помощью квантовой теории поля). Таким образом, у нас есть три фреймворка.

Когда спрашивают, могут ли появиться какие-либо реальные частицы, это вопрос для первой и второй структуры, диаграмм и связанных с ними математических расчетов. Ответ — да, если энергия может быть подведена сверх неопределенности HUP, и это то, что допускает гипотезу излучения Хокинга для черных дыр. Это все еще в первых двух рамках, математическом предсказании, до тех пор, пока какой-нибудь остроумный эксперимент не сможет показать излучение, исходящее от черной дыры.