Являются ли виртуальные частицы всего лишь фиктивным инструментом в уравнениях?

В природе нет «действия на расстоянии». Притяжение куска железа магнитом, притяжение между удаленными электрическими зарядами противоположного знака должно быть чем-то опосредовано. В качестве объяснения предлагаются виртуальные частицы .

Если они имеют наблюдаемый эффект, кажется, что они должны существовать. Если да, то почему мы называем их виртуальными? Не может быть, чтобы у них было короткое время жизни, так как есть короткоживущие частицы (резонансы), которые мы не называем «виртуальными».

С другой стороны, некоторые люди говорят, что так называемые виртуальные частицы существуют только на бумаге или что они просто техника, помогающая нам обрабатывать наши уравнения.

Так что же здесь означает слово «виртуальный»? Эти частицы действительно существуют или нет?

«В природе нет действия на расстоянии». - Это смелое утверждение. Кроме того, в чем разница между действием на расстоянии и действием, опосредованным чем-то необнаружимым (т.е. виртуальными частицами)?
Взгляните на это .
Кому CuriousMind: Я удивлен, что кто-то может поставить под сомнение «действие на расстоянии не существует». Я не думаю, что могут быть сомнения, однако, скажите мне, пожалуйста, какие мысли стоят за вашими сомнениями.
(продолжение) Что касается вашего вопроса, то он мне кажется вопросом определения. Объект, на который мы не можем наложить руку, но видим его действие, наблюдается косвенно. Поскольку эти так называемые виртуальные частицы делают возможным взаимное влияние удаленных зарядов, ЭТО равносильно их обнаружению. Это плохое обнаружение, мы бы предпочли их поймать, но на данный момент это то, что у нас есть.
Сказать: «На расстоянии нет действия» — определенно не самоочевидная истина. До появления квантовых теорий поля у вас не было представления о (виртуальных) частицах, передающих силы. Классический электромагнетизм очень похож на действие на расстоянии — там есть заряд , и он влияет на то , что я чувствую здесь . Но наличие сил между зарядами не эквивалентно обнаружению виртуальных частиц. Виртуальные частицы, поскольку они сами по себе не могут быть обнаружены, эквивалентны утверждению о наличии действия на расстоянии.
@ACuriousMind: классический электромагнетизм определенно не является действием на расстоянии - все воздействия происходят в соответствии с запаздывающими потенциалами. Если я что-то делаю здесь, воздействие на поле там происходит только после того, как оно успело распространиться туда.
@JerrySchirmer: Я думал, что OP говорил о «действии на расстоянии» в отличие от «действий , опосредованных частицами». Вы правы в том, что классическая ЭМ, конечно, не является акаузальной (... это то, что вы говорите, верно?). Но если бы речь шла об этом, то этот вопрос не имел бы смысла, так как частицы не нужны для того, чтобы теория была причинной.
@ACuriousMind: достаточно честно, я думаю, я не слишком различаю «частицу» и «форму волны, движущуюся через фоновое поле»
«Нельзя сфотографировать виртуальное изображение» @annav, что вы имеете в виду? Конечно, можно сфотографировать отражающую сферу и виртуальное изображение окружающих предметов на ней.
@JánLalinský Мое неправильное использование. Я должен был сказать: нельзя сфотографировать оптические лучи, составляющие мнимое оптическое изображение. Я удалю комментарий, потому что он, похоже, вводит других в заблуждение.
В физике слово «виртуальный» используется для того, чтобы подчеркнуть нереальность оптических изображений: световая информация достигает глаза, но отсутствуют другие атрибуты изображаемого объекта, которые делают его «реальным», масса и т. д. Нельзя сфотографировать оптические лучи, составляющие изображение, хотя изображение сфотографирует. В аналогичном смысле виртуальные частицы, которые составляют окончательный результат вычислений диаграммы Фейнмана, не являются реальными, хотя их слияние описывает измерение.

Ответы (4)

Виртуальные частицы относятся к реальным, ненулевым характеристикам в квантовых полях реальных объектов, но это характеристики, которые не являются частицами во многих отношениях, поэтому вам не следует ничего ожидать от того, что они называются «частица».

По сути, идея виртуальных частиц была придумана как средство для тех случаев, когда вы хотите сохранить картину частицы, занимаясь квантовой физикой. Имейте в виду, мы знаем, что на самом деле ничто не является частицей, а квантовые поля являются фундаментальными объектами. Мы можем вывести движения, подобные частицам, в полях, но поля демонстрируют и другое поведение. Если вы настаиваете на том, чтобы все было каким-то образом частицей, то эти другие виды поведения нужно распознавать и относиться к ним с осторожностью. Кто-то решил назвать их «виртуальными частицами».

Например, возьмем атом водорода, связанные протон и электрон. Внутри атома наверняка есть настоящее электромагнитное поле, удерживающее его вместе. Это электромагнитное поле определенно не является частицей в классическом смысле. С квантовыми полями мы можем выбрать представление электромагнитного поля в терминах фотонов (т. е. использовать фотоноподобную основу состояний для описания поля). Но при этом мы видим, что фотоны внутри атома водорода — это не привычные фотоны, излучающие в свободном пространстве, а нечто иное, какое-то виртуальное.

Опять же, единственное, что является фундаментальным и реальным, — это квантовое поле , которое не заботится о каких-либо различиях, которые мы проводим между реальными и виртуальными частицами или между частицами и волнами. Тем не менее, мы любим придумывать забавные названия, чтобы помочь себе смириться с реальностью. Но, возможно, термин «виртуальная частица» больше вводит в заблуждение, чем помогает.

Виртуальные частицы — это линии на диаграмме Фейнмана, они не соответствуют ни одному состоянию какого-либо поля.
Я не специалист по теории поля. Как говорит Нанит, поле кажется более подходящим для работы, и, конечно, в разных случаях довольно удобна картина частиц. Но, поле или частица, не важно, есть ли МАТЕРИЯ между двумя заряженными частицами и удаленными друг от друга?
@ACuriousMind: вы понимаете, что это диаграмма Фейнмана, эквивалентная «заткнись и рассчитай интерпретацию» квантовой механики. Говорить людям, что они не должны думать, всегда плохая идея.
@ACuriousMind, если виртуальные частицы - это просто линии на диаграмме, это означает, что они действительно виртуальные, а не только «необнаружимые», как вы сказали в своем комментарии к ОП.
тем не менее, эти «нечастичные» свойства имеют некоторое соответствие с неприводимыми представлениями, такими как фотоны и электроны.

Виртуальные частицы ненаблюдаемы по определению. Они представляют собой «внутренние линии» на диаграммах Фейнмана. Например, эта схема:

Здесь два электрона движутся навстречу друг другу, взаимодействуют, затем удаляются друг от друга. Внешние линии представляют «настоящие» электроны, которые мы можем измерить/наблюдать. Внутренняя линия здесь представляет собой возбуждение электромагнитного поля, которое мы называем «виртуальным фотоном». Точно так же виртуальные электроны/кварки/глюоны/и т.д. все соответствуют внутренним линиям на диаграммах Фейнмана. Таким образом, виртуальные частицы ненаблюдаемы по определению. Если бы их можно было наблюдать, они не были бы виртуальными.

Просто играя в адвоката дьявола, не могли бы вы сказать, что мы наблюдаем это, экспериментально проверяя правильность вероятностей, рассчитанных с помощью диаграмм Фейнмана? Это, безусловно, такая же конкретная проверка, как и любая другая, которую мы имеем для бозона Хиггса.
@PeterShor: то, что можно наблюдать, - это сумма всех диаграмм Фейнмана во всех порядках. Не существует процесса, соответствующего древовидной диаграмме, диаграмме с одной петлей и т. д. Виртуальные частицы — это всего лишь вычислительный инструмент. Их не существует.
@Jerry: снова играя в «Адвоката дьявола», тогда, если их не существует, как вселенная может получить правильные вероятности для процессов в физике элементарных частиц? Использует ли Бог виртуальные частицы просто как инструмент расчета, а затем бросает кости, чтобы решить, что произойдет? Эйнштейн бы не согласился :-).
@PeterShor: ничто не заставляет вас рассчитывать амплитуды с использованием теории возмущений. Если вы его не используете, то вам вообще не нужно обращаться к диаграммам Фейнмана и виртуальным частицам.
@Jerry: тогда как мне рассчитать амплитуды? Я думаю, что это доходит до реальной сути вопроса.
@PeterShor: зависит от того, какой формализм вы используете. Если вы занимаетесь КХД на решетке, вы можете напрямую вычислить интеграл по путям. В любом случае, если вы занимаетесь теорией возмущенного поля, вопрос о том, сколько существует виртуальных частиц и по каким «путям» они идут, не имеет смысла. Не бывает ни одной диаграммы, а только сумма всех их.
Всем, кто любезно отнесся к моему вопросу: при суждении о физике я материалист, считаю, что любые свойства и действия, которые мы наблюдаем, принадлежат МАТЕРИИ. Постулирование действия на расстоянии не кажется мне приемлемым по следующей причине. Материя, несмотря на ее разнообразие, обладает уникальным способом решения определенного типа задач, т. е., например, в диэлектрике она передает поле от атомного диполя к атомному диполю. В вакууме, вероятно, будет то же самое.
(продолжение) Я имею в виду, вполне вероятно, что в вакууме передача осуществляется от электрон-позитронного диполя к другому.
@Sofia Почему минус? Ничего из того, что я сказал, не является неверным.
@jld: может быть, кто-то подумал, что в вашем ответе нет содержания. «Значит, виртуальные частицы ненаблюдаемы по определению. Если бы их можно было наблюдать, они не были бы виртуальными». звучит как бессмысленная тавтология.
@PeterShor Как это тавтология, чтобы сказать, что что-то верно по определению?
Похоже, вы говорите, что все, что на самом деле не наблюдается (то есть не внешняя линия на диаграмме Фейнмана), по определению виртуально. Итак, частицы виртуальны, потому что их не наблюдают, а частицы не наблюдаются, потому что они виртуальны. И они не существуют, потому что мы не можем их наблюдать, потому что если бы мы их наблюдали, то они по определению не были бы виртуальными.
@PeterShor Кажется, ты изо всех сил пытаешься заставить это звучать абсурдно. Виртуальные частицы по определению являются внутренними линиями. Внутренние линии не наблюдаются по определению. Поэтому виртуальные частицы не наблюдаются по определению. Это не сложно, и это не циклично. Заметьте также, что я никогда не говорил: «частицы виртуальны, потому что их не наблюдают». Это просто не следует из логики.
@jld: что такое определение внешней линии, если это не то, что наблюдается? Итак, внутренняя линия — это то, что не наблюдается.
@PeterShor Внешняя линия не требует наблюдения, как вы, кажется, подразумеваете. Это просто плохая логика. Внешние линии соответствуют частицам, которые можно наблюдать, но не обязательно.
Но если внешняя линия когда-либо взаимодействует с другой частицей, не становится ли она автоматически внутренней линией на большей диаграмме Фейнмана? А если мы его не наблюдаем, разве он не будет взаимодействовать?
Позвольте мне заметить, что я не думаю, что ответ плохой, и я думаю, что он точно отражает общепринятое мнение. Я просто пытался дать возможный ответ на вопрос «Почему отрицательный голос?» И, как вы, наверное, уже поняли, я также не думаю, что общепринятое мнение очень разумно.
@PeterShor Я понимаю, что вы говорите, что все, с чем мы взаимодействуем, должно быть немного вне оболочки, но я думаю, что вы слишком далеко заходите в интерпретации графиков Фейнмана. Это всего лишь инструменты приближения. Частицы также не находятся «на самом деле» в собственных импульсных состояниях. Если бы я собирался описать, что «на самом деле» происходит, я бы не стал использовать теорию возмущений или виртуальные частицы для начала.

Настоящими посредниками сил являются квантовые поля.

Подробное обсуждение виртуальных частиц и их свойств (и возможного способа существования) дано в следующих двух моих недавних эссе:

Физика виртуальных частиц

Заблуждения о виртуальных частицах

Из введения ко второму эссе:

«Виртуальные частицы определяются как (интуитивные образы) внутренних линий на диаграмме Фейнмана. Их название происходит по аналогии с внешними линиями, которые могут быть связаны с наблюдаемыми стабильными или нестабильными частицами. Вектор 4-импульса виртуальной частицы имеет физический смысл переменной интегрирования в интеграле, соответствующем диаграмме, и принимает все возможные значения, делая его вне оболочки.

Состояния, включающие виртуальные частицы, не могут быть созданы, поскольку квантовая теория поля имеет операторы рождения только для наблюдаемых частиц, 4-импульс которых удовлетворяет ограничению массы-оболочки. Из-за отсутствия состояния виртуальные частицы не обладают ни одной из обычных физических характеристик реальных частиц: нельзя сказать, что они существуют в пространстве и времени, не имеют положения, не имеют значимых вероятностей создания или уничтожения где бы то ни было, нет времени жизни, не могут существовать. вызывать что-либо, взаимодействовать с чем-либо или влиять на что-либо. Поэтому здесь также нет ни динамики, ни скорости движения, ни мировых линий. (В физике динамика всегда связана с состояниями и уравнением движения. Для виртуальных частиц их не существует.) [...]

Обычный динамический язык для виртуальных частиц оправдывается теорией только как чисто образная аналогия в «виртуальной реальности», полезная для неформальных разговоров 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 в теории или эксперименте».

Это только вершина айсберга....

Хотя эта ссылка может ответить на вопрос, лучше включить сюда основные части ответа и предоставить ссылку для справки. Ответы, содержащие только ссылки, могут стать недействительными, если связанная страница изменится. - Из обзора
Я написал в своем эссе только самое необходимое. Действительно необходимо расширенное обсуждение, чтобы прояснить все вещи, которые обычно возникают в ходе обсуждений - короткие ответы не могут решить проблему. Но добавлю немного из второй статьи.
ну, виртуалы отслеживают квантовые числа своего имени.
@annav: Да, это бухгалтерское устройство, а не что-то реальное.

Вы можете посмотреть определение виртуальной частицы в любом учебнике или ответе jld:s, поскольку это всего лишь определение.

О существовании чего бы то ни было, оно сразу становится онтологической проблемой и подлежит интерпретации. С появлением квантовой механики ее противники потребовали реальности. В 2016 году в StackExchange Physics ищут реальность фотонов или виртуальных частиц.

Я бы сказал, что виртуальные частицы так же реальны, как и настоящие, в той мере, в какой имеет смысл говорить о реальности физических объектов.

Однако в этом вопросе есть несколько сложностей.

  1. Очень трудно определить частицы с взаимодействиями. Учитывая электронную систему с некоторыми степенями свободы и фотонную систему с еще несколькими степенями свободы, квантовая эволюция делает все точные картины отдельных частиц исчезающими/недействительными. Например, удаление электрона из атома требует 5 эВ энергии, эта энергия состояла из огромного количества виртуальных фотонных взаимодействий и т. д. Это была не только энергия электрона. В любом случае, частицы — всего лишь приблизительные инструменты для понимания квантовых полей. Вот почему вся путаница в вопросе «Что такое фотон на самом деле?» вопрос и вся путаница с корпускулярно-волновыми дуальностями и тому подобное. Я считаю, что бозон Хиггса — это просто резонанс поля, и он всегда виртуален, поскольку не наблюдается непосредственно. Но никто не говорит, что Хиггс нереален (и я тоже).

Есть хорошая цитата из Паули:

О ваших требованиях к будущему [. . . ] теории поля требование: «Одна частица должна появиться как тривиальное решение основных уравнений» (о котором я знаю, что это было вашим любимым требованием в течение нескольких месяцев) кажется довольно сомнительным, поскольку заряженная частица не является чем-то тривиальным. (Паули Гейзенбергу, 16 июля 1934 г.)

источник

  1. Частицы, распространяющиеся асимптиотически свободно, легче определить, поскольку они больше не взаимодействуют. Полюса их пропагаторов точечны, что дает, например, четко определенные энергию и импульс. Вся теория рассеяния основана на этих асимптотических состояниях свободных частиц, и любые взаимодействия, которые могут происходить при рассеянии, называются виртуальными.

  2. То, что что-то твердое, не делает его реальным/виртуальным . Я не совсем согласен с большинством аргументов о том, что виртуальные частицы не реальны. Они следуют одним и тем же уравнениям движения («есть»/описываются одним и тем же пропагатором), что с того, что они не находятся в своей массовой оболочке. Если что-то ведет себя квантово-механически и из-за взаимодействий утратило свою одночастичную картину, это не делает его менее реальным, чем специальное асимптотическое решение частицы в свободном пространстве.

И еще немного свободного обсуждения

В квантовой механике всегда существует «квантовая относительность состояний» (я только что придумал это слово). Если вы считаете детектор или вы находитесь внутри своей матрицы рассеяния, то вы сами становитесь виртуальной коллекцией пропагаторов. Поэтому необходимо определить, что находится внутри и снаружи квантовой системы. (Обычно это тривиально в обычном эксперименте.) Теперь мы определяем, что то, что происходит внутри, называется виртуальным, а то, что приходит/уходит снаружи/извне, называется реальным, потому что мы, люди, все еще продолжаем настаивать на классической реальности! Как и в 20-е годы.

Являются ли виртуальные частицы всего лишь фиктивным инструментом в уравнениях?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v