Виртуальные частицы реальны? Виртуальные частицы создают вселенную? [закрыто]

1. Вакуум «пуст» в полном смысле этого слова. То, что мы называем «частицами» в квантовой теории поля, — это состояния, создаваемые так называемыми операторами уничтожения и создания, которые представляют собой «вычитание» и «добавление» частицы определенного типа к состоянию. Свободный вакуум по определению есть именно то состояние, из которого ничего нельзя вычесть, следовательно, оно «пусто». Взаимодействующий вакуум по определению является самым низким энергетическим состоянием, но мы не можем говорить о частицах для взаимодействующих состояний, поэтому бессмысленно спрашивать, является ли он «пустым» .

2. «Кипящее варево частиц» — это неверное толкование того, что означают так называемые вакуумные пузыри . Это диаграммы Фейнмана, которые дают вклад в энергию взаимодействующего состояния вакуума, и если бы внутренние линии таких диаграмм описывали реальные частицы, то эти диаграммы означали бы непрерывное рождение и аннигиляцию частиц в вакууме. Но внутренние линии диаграмм Фейнмана не связаны с реальными состояниями частиц (т.е. никакой оператор рождения/уничтожения свободной теории им не принадлежит), так что это нонсенс. В вакууме нет частиц, и они не создают вселенную.

3. Он неправильно интерпретирует диаграммы Фейнмана, чтобы дать непрофессионалам, читающим книгу, волшебную и загадочную, но не содержащую математики картину того, о чем квантовая теория поля. Эта картина почти полностью неверна.

4. Это самое низкое энергетическое состояние теории и начало так называемой теории возмущений. Не намного больше.

В моем эссе « Заблуждения о виртуальных частицах » подробно объясняется разница между научно-популярной точкой зрения на появление и исчезновение виртуальных частиц и точкой зрения физики на виртуальные частицы как на полезный (но в буквальном смысле виртуальный) образ для обсуждения сложных интегралов для вычисления амплитуды рассеяния. Из введения:

Обычный динамический язык для виртуальных частиц оправдывается теорией только как чисто образная аналогия в «виртуальной реальности», полезная для неформального разговора о сложных формулах и для поверхностных резюме лекций, захватывающих воображение аудитории.

Это следует иметь в виду, читая в профессиональных научных публикациях заявления о виртуальных частицах. В противном случае многие утверждения становятся полностью вводящими в заблуждение, призывая к магическому взгляду на микрофизику и странным спекуляциям, без малейшей поддержки теории или эксперимента.

Как экспериментатор я знаю, что существуют элементарные частицы, частицы, которые мы измеряем нашими детекторами и которые иногда подобны макроскопическим частицам (бильярдным шарам), а иногда демонстрируют статистическое поведение, которое имеет синусоидальное/волнообразное распределение плотности вероятности (т.е. когда при измерении многих из них в одних и тех же граничных условиях распределение их пространственного поведения показывает волнообразные интерференции ).

Вот ссылка, показывающая фотографии треков элементарных частиц , сделанные с помощью пузырьковой камеры .

Большое накопление измерений позволило сформулировать квантовую механику (в отличие от классической механики) и разработать математические модели, которые могут описывать поведение рассеяния и распада элементарных частиц и предсказывать новые. Эти модели зависят от разложения в ряд и интегралов по функциям запутанным образом и были упрощены с помощью графических представлений диаграмм Фейнмана. Существует однозначное соответствие между диаграммой Фейнмана и элементом в сумме для получения сечения и т. д.

Пример рассеяния e+e- на диаграмме mu+ mu- Фейнмана показывает реальные частицы, измеряемые в детекторе как входящие и исходящие линии, и виртуальный фотон, обменивающийся энергией, импульсом и квантовыми числами. Он виртуален, потому что по переменным подразумевается интегрирование, поэтому, хотя у него есть квантовые числа фотона, его масса не равна нулю и не фиксирована, потому что он играет в пределах интегрирования. Есть много диаграмм более высокого порядка с гораздо большим количеством обменных диаграмм, но это уровень дерева с более высоким коэффициентом в пертурбативном разложении.

Таким образом, слово «виртуальный» подразумевает «интегрирование в пределах» и отличается от «реального», когда частица имеет фиксированную неизменную массу и может быть измерена в детекторах.

Теперь теория поля развивалась во взаимно однозначном соответствии с представлениями диаграммы Фейнмана, где все пространство имеет операторы, называемые операторами рождения и уничтожения, представляющие поля. Это математически удовлетворительное представление для большинства физиков, склонных к теории, но основанием, на котором подтверждается теория поля, является интегрирование диаграммы Фейнмана, ограниченное волновыми функциями конкретного уравнения квантовой механики (Шредингер, Клейн Гордон, Дирак).

В простом представлении Фейнмана вакуум можно понимать как возникающий из условия неопределенности Гейзенберга . В рамках интегрирования неопределенности Гейзенберга пары виртуальная частица-античастица могут существовать, но это означает, что они не реальны, т.е. не на массовой поверхности, потому что в вакууме очень мало доступной энергии, и энергия нужна, чтобы материализовать их в реальные. То, что это верно, следует из вычислений более высокого порядка, чем в приведенном выше примере, где вклад в сечения и т. д. этих возможных виртуальных частиц измерим.

В своем блоге Любош Мотл обсуждает вакуум , начиная с истории, и спрашивает: «Пустота пуста и скучна?» подчеркивая законы сохранения и заключая:

Вопросы о значениях локальных полей могут давать неопределенные и флуктуирующие ответы в квантовой теории поля (эти предсказания становятся физическими только в том случае, если вы действительно измеряете эти наблюдаемые: вы никогда не можете предположить, что конкретные предпочтительные значения «объективно существуют» без какого-либо измерения). Но если вы наблюдатель, которого волнует полная энергия или полный импульс (или полный угловой момент и т. д.) вакуума, ситуация совсем другая. Квантовая теория поля недвусмысленно говорит (и в этом нет противоречия с предыдущим предложением), что вакуум все-таки пуст и скучен.

После этой преамбулы:

1. Вакуум пустой или нет?

Это зависит от конкретного наблюдения, а наблюдение означает обмен энергией и диаграммы Фейнмана.

2. Существуют ли частицы в вакууме и могут ли они создать вселенную?

В зависимости от эксперимента, да, будут измеримые эффекты виртуальных частиц в вакууме. Например, излучение Хокинга , где энергия для попадания на оболочку обеспечивается гравитационным полем черной дыры.

Создание Вселенной не входит в сферу современных знаний физики. Это может быть гипотеза в рамках общей теории относительности, где сохранение энергии иногда является спорным.

3. Но когда виртуальные частицы — это всего лишь математический «трюк» для вычисления чего-либо, что имеет в виду Лоуренс Краусс?

Экстраполяция на случай, когда энергия не является сохраняемой величиной, и надежда на то, что его предложение верно.

4. Что не так с вакуумом?

Как указано выше

если вы наблюдатель, которого волнует полная энергия или полный импульс (или полный угловой момент и т. д.) вакуума, ситуация совсем другая. Квантовая теория поля недвусмысленно говорит (и в этом нет противоречия с предыдущим предложением), что вакуум все-таки пуст и скучен.

Энергия должна быть обеспечена взаимодействиями для заполнения вакуума.

Читаю книгу Лоуренса Краусса "Вселенная из ничего", где он объяснял, что вакуум не пуст. Это кипящая смесь виртуальных частиц, возникающих из их существования. И они могут создать вселенную, даже космос.

Боюсь, это научно-популярная книга, довольно умозрительная и «провокационная» .

Но виртуальные частицы — это внутренние линии на диаграмме Фейнмана. Они сходятся в вершине и так далее. Они вне Shell.

Это верно. Виртуальные частицы виртуальны . Это не недолговечные настоящие частицы, которые спонтанно появляются и исчезают, как черви из грязи. Это не то же самое, что флуктуации вакуума. Это кванты поля. Это как если бы вы разделили электромагнитное поле электронов на маленькие абстрактные фрагменты и сказали, что каждый из них является виртуальной частицей. Затем, когда электрон и протон образуют атом водорода, они «обмениваются полем», так что у атома водорода не остается большого поля. Но на самом деле они не творят фотоны и не перебрасывают их туда-сюда. Атомы водорода не мерцают.

Я дилетант, и я не могу ясно понять об этом материале. У меня вопрос: вакуум пустой или нет?

Нет. Космос не ничто. Флуктуации вакуума реальны, это электромагнитный эквивалент мелкой ряби на поверхности моря. Но пространство — это не бурлящая масса частиц вроде электронов и позитронов, протонов и антипротонов, фотонов или нейтрино, которые создаются и уничтожаются.

Существуют ли частицы в вакууме и могут ли они создать вселенную?

Нет.

Но когда виртуальные частицы — это всего лишь математический «трюк» для вычисления чего-либо, что имеет в виду Лоуренс Краусс?

навскидку не знаю. Можете ли вы процитировать конкретный абзац? До тех пор, ИМХО, он путает виртуальные частицы с флуктуациями вакуума и делает необоснованные заявления, направленные на то, чтобы поднять свой авторитет и продать свою книгу. NB: Анна сказала, что энергосбережение иногда спорно, но я с этим не согласна. Я не знаю ни одной ситуации, когда бы энергия не сохранялась. Вдобавок я должен отметить, что излучение Хокинга остается гипотетическим спустя сорок лет, и данное объяснение требует частиц с отрицательной энергией . Я не знаю частиц с отрицательной энергией.

Что не так с вакуумом?

См . тензор энергии-импульса напряжения . Он «описывает плотность и поток энергии и импульса в пространстве-времени». Вы можете подвергнуть пространство давлению и напряжению сдвига. Это похоже на джинно-прозрачную призрачную резинку, с которой можно изгибаться и что-то делать.