Partícula virtual

Una partícula virtual es un objeto que se caracteriza por casi todos los números cuánticos inherentes a una de las partículas elementales reales , pero para el cual se rompe la conexión inherente entre la energía y el momento de la partícula. El concepto de partículas virtuales se originó en la teoría cuántica de campos . Tales partículas, habiendo nacido, no pueden "volar hacia el infinito", deben ser absorbidas por alguna partícula o descomponerse en partículas reales. Las interacciones fundamentales conocidas en física proceden en forma de intercambio de partículas virtuales.

En la teoría cuántica de campos, los conceptos de partículas virtuales y procesos virtuales ocupan un lugar central. Todas las interacciones de partículas y su transformación en otras partículas en la teoría cuántica de campos se suelen considerar como procesos que necesariamente van acompañados de la creación y absorción de partículas virtuales por partículas reales libres [1] . Este es un lenguaje extremadamente conveniente para describir la interacción. En particular, la complejidad de los procesos de cálculo se reduce drásticamente si las reglas para la creación, aniquilación y propagación de estas partículas virtuales ( reglas de Feynman ) se redactan preliminarmente y el proceso se representa gráficamente utilizando diagramas de Feynman .

La división de partículas en reales y virtuales tiene un significado exacto solo en ausencia de un campo externo fuerte y carece de unicidad en áreas del espacio-tiempo donde el campo externo es fuerte [2] .

Características distintivas de las partículas virtuales

La diferencia principal y definitoria entre una partícula virtual y una real es la violación de la relación conocida de la teoría especial de la relatividad , que relaciona la energía y el momento de una partícula real: $mi$ ${\ vec p}$

E^{2}\,=\,m^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}\,;

aquí está el módulo de momento, es la masa de la partícula, es la velocidad de la luz en el vacío. Para una partícula virtual, esta relación deja de ser válida [3] . Tales partículas pueden existir solo por un tiempo muy corto y no pueden ser registradas por instrumentos de medición clásicos , por ejemplo, contadores de partículas elementales [4] . $pags$ $metro$ $C$

Con respecto a los fotones , la diferencia entre fotones virtuales y reales también radica en que para un fotón real, la proyección de su espín en la dirección del movimiento solo puede tomar valores (en unidades relativistas ), y para un fotón virtual , también es posible un valor [5] . $\pm 1$ ${\ estilo de visualización 0}$

La necesidad del concepto de partículas virtuales surge debido a que, según el principio de dualidad onda-partícula y el principio de acción de corto alcance , toda interacción entre partículas elementales consiste en el intercambio de cuantos del campo que aseguran esta Interacción. Así, la interacción electromagnética de un electrón y un protón en un átomo de hidrógeno consiste en el intercambio de fotones entre un electrón y un protón. Pero un electrón libre no puede emitir ni absorber un fotón. La razón es que en el marco de referencia en el que el electrón estaba en reposo antes de la emisión de un fotón, antes de la emisión de este último, la energía del electrón es , y después de la emisión, la energía del sistema de electrón y el fotón viene dado por la expresión $mc^{2}$

E\,=\,{\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}+\hbar \ omega\,;

tal proceso está prohibido por la ley de conservación de la energía . Por lo tanto, se cree que durante el intercambio de fotones virtuales, estos últimos transfieren impulso, pero no transfieren energía.

A veces, en aras de la claridad, el concepto de "partículas virtuales" se explica de una manera ligeramente diferente. Es decir, dicen que en el proceso de interacción se cumple con algún error la ley de conservación de la energía . Esto no contradice la mecánica cuántica : según la relación de incertidumbre , un evento que dura un período de tiempo finito no permite determinar la energía con una precisión superior a un cierto límite. En términos generales, las partículas intermedias "toman energía prestada" por un corto tiempo. En este caso, en el proceso de interacción, las partículas ordinarias pueden nacer y desaparecer, solo con una ligera violación de la ley de conservación de la energía.

Las partículas toman una cantidad relativistamente invariante como medida de virtualidad , y puede tomar valores tanto positivos como negativos. El rango de valores y para el cual la virtualidad es cero se denomina superficie de masa (o capa de masa ) de la partícula. $Q^{2}\,=\,E^{2}-p^{2}c^{2}-m^{2}c^{4},$ $P^{2}$ $mi$ $pags$ $P^{2}$

Por lo tanto, el vector energía-momento de una partícula virtual puede ser similar al espacio. Por lo tanto, el mismo proceso que involucra una partícula virtual para observadores en diferentes marcos de referencia puede parecer diferente: desde el punto de vista de un observador, el proceso puede ser la emisión de una partícula virtual, y desde el punto de vista de otro observador, el mismo proceso será la absorción de una antipartícula virtual [6] .

Para las partículas virtuales, el concepto de trayectoria clásica no tiene sentido . Son absorbidos antes de que se muevan una distancia mayor que la incertidumbre de su posición [7] . Un análogo de los procesos de emisión y absorción de partículas virtuales es el proceso de penetración de la luz en un medio denso con reflexión interna total en la óptica clásica [7] . El número de partículas virtuales no es invariante de Lorentz debido a que desaparecen en un punto y aparecen simultáneamente en otro [7] .

La velocidad de una partícula virtual no tiene un significado físico directo. Esto se sigue del hecho de que la velocidad de una partícula está determinada por su cantidad de movimiento , energía y la velocidad de la luz por la relación [8] . Por ejemplo, para el momento y la energía de los fotones virtuales, que se intercambian entre un protón y un electrón en un átomo de hidrógeno, tenemos: Cuando estos valores se sustituyen en la fórmula de la velocidad, se obtiene un valor infinitamente grande. $v$ $pags$ $mi$ $C$ $v={\frac{pc^{{2}}}{E}}$ ${\ estilo de visualización p> 0, E = 0.}$ $v={\frac{pc^{{2}}}{E}}$

La masa de una partícula virtual tampoco tiene un significado físico directo. Esto se deriva de la relación entre masa , energía , cantidad de movimiento y velocidad de la luz [9] . Por ejemplo, para fotones virtuales intercambiados entre un protón y un electrón en un átomo de hidrógeno, los valores de y son los siguientes: Cuando estos valores se sustituyen en la fórmula, la masa de la partícula resulta ser imaginaria. $metro$ $mi$ $pags$ $C$ $m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}$ $pags$ $mi$ ${\ estilo de visualización p> 0, E = 0.}$ $m^{2}c^{4}=E^{2}-p^{2}c^{2}$ $metro$

Proceso virtual

Un proceso que involucra partículas virtuales se llama proceso virtual . En los procesos virtuales, existen restricciones asociadas con la conservación de la carga eléctrica , el espín , la extrañeza , el barión , el leptón y otras cargas, pero no existen restricciones sobre la energía y el momento [10] [1] . El método de diagramas de Feynman [11] se utiliza para describir procesos virtuales . Con muy raras excepciones, las líneas internas en los diagramas de Feynman siempre se refieren a partículas virtuales [12] .

Una partícula virtual puede surgir no solo en el proceso de intercambio entre partículas reales, sino también en el proceso de absorción de una partícula real por otra partícula real. El efecto Compton se explica por la absorción de un fotón real por un electrón real con la formación de un electrón virtual y la posterior descomposición del electrón virtual en un electrón real y un fotón con diferentes direcciones de movimiento y energía [4] .

Si la masa de la partícula virtual

{\displaystyle m_{v}\,=\,{\frac {1}{c^{2))}{\sqrt {E^{2}-p^{2}c^{2))))

difiere de la masa de una partícula libre en: , entonces, de acuerdo con las relaciones de incertidumbre entre el tiempo y la energía [13] , esta partícula virtual puede existir solo por un período de tiempo Durante este tiempo puede volar una distancia Por lo tanto, cuanto mayor sea la virtualidad de la partícula, cuanto menor sea el tiempo un proceso virtual también se produce a distancias menores [14] . $\ Delta {m}$ ${\displaystyle |m_{v}-m|\,=\,\Delta {m))$ $\tau \leq {\frac {\hbar}}{c^{2}\Delta {m}}}.$ $r\leq {\frac {\hbar }{c\Delta {m}}}.$

Cuando las partículas elementales son intercambiadas por un cuanto virtual de un campo con masa, la incertidumbre de la energía de un estado virtual intermedio está dada por la desigualdad La distancia recorrida por un cuanto está relacionada con el tiempo de vida del estado virtual por la relación La relación de incertidumbres entre el tiempo de vida de un estado virtual y la incertidumbre de su energía parece pasada por el cuanto virtual, en su masa: $metro$ ${\displaystyle\Delta E\geqslant mc^{2}.}$ ${\ estilo de visualización r,}$ $\Delta t$ $r\aprox. v\Delta t.$ $\Delta t$ $\Delta E$ ${\ estilo de visualización \ Delta E \ Delta t \ aproximadamente \ hbar.}$

r\approx v\Delta t\approx {\frac {v\hbar }{\Delta E))\leqslant {\frac {v\hbar }{mc^{2))}\leqslant {\frac { \hbar }{mc}}\,.

De ahí se deduce que la distancia de la interacción virtual no excede la longitud de onda Compton del cuanto, el portador de la interacción [15] .

Para campos con cuantos portadores de masa cero, como las interacciones electromagnéticas y, presumiblemente, gravitatorias , la longitud de onda Compton del cuanto portador y, por lo tanto, el rango, no está limitada [16] . Por el contrario, para campos con cuantos portadores que tienen una masa distinta de cero, como la interacción débil , la interacción fuerte [17] , la longitud de onda Compton del cuanto portador y, por lo tanto, el rango, son limitados [18] .

Ejemplos de procesos virtuales

El proceso de intercambio de fotones virtuales de un electrón y un protón en un átomo. Como resultado de este proceso, la energía del electrón no cambia, solo cambia la dirección de su impulso. Para una partícula libre, la relación debe ser válida , pero para un fotón virtual no se cumple. Encontremos el valor de la virtualidad del fotón Para el fotón cuántico-portador . Un fotón transporta impulso y su energía . Por lo tanto : [19] . ${\displaystyle E^{2}-p^{2}c^{2}=m^{2}c^{4))$ $Q^{2}\,=\,E^{2}-p^{2}c^{2}-m^{2}c^{4}.$ $metro=0$ ${\ estilo de visualización p \ neq 0}$ $mi=0$ $Q^{2}<0$ $Q^{2}=E^{2}-p^{2}c^{2}=-p^{2}c^{2}<0$
El proceso de intercambio de fotones virtuales entre los devanados de un transformador eléctrico . La electricidad se transfiere de un devanado del transformador a otro mediante fotones virtuales con energía ( es la frecuencia de la corriente alterna) y con una longitud de onda del orden del tamaño del espacio entre los devanados del transformador. Un impulso de onda de esta longitud supera el impulso de una onda libre con una frecuencia de Hz en varios órdenes de magnitud, ya que una onda libre de tal frecuencia tiene una longitud de onda de unos 1000 km [20] . $\hbar \omega$ $\omega$ $\omega=50$
El proceso de aparición y desaparición de pares virtuales electrón-positrón cerca de un electrón, a distancias del orden de la longitud Compton de un electrón ( polarización de vacío ) [21]
Los nucleones están rodeados por pi-mesones virtuales, resultantes de procesos virtuales: , , , [22] . ${\displaystyle p\rightleftarrows n+\pi ^{+))$ $n\rightleftarrows p+\pi ^{-}$ ${\displaystyle p\rightleftarrows p+\pi ^{0))$ ${\displaystyle n\rightleftarrows n+\pi ^{0))$

Efectos explicados con partículas virtuales

Los siguientes efectos a menudo se explican por la presencia de partículas virtuales:

Emisión espontánea de un fotón durante la desintegración de un átomo o núcleo excitado; tal decaimiento es imposible según las leyes de la física cuántica ordinaria (ya que los estados excitados son los estados estacionarios exactos de la ecuación de Schrödinger). Se explica por la interacción del átomo con oscilaciones nulas del campo electromagnético en el vacío [23] .
El efecto Casimir , que consiste en la atracción o repulsión mutua observada de cuerpos no magnéticos sin carga bajo la acción de fluctuaciones cuánticas en el vacío .
Polarización del vacío , que implica la generación de un par partícula-antipartícula o " desintegración del vacío ", como la generación espontánea de un par electrón-positrón .
Radiación de Hawking , que supuestamente se genera en el horizonte de sucesos de los agujeros negros .
El efecto Unruh es un efecto similar a la radiación de Hawking, pero se observa cuando las partículas se aceleran.
efecto Compton .
La existencia de un momento magnético negativo del neutrón y el valor anómalo del momento magnético del protón se explican por el movimiento orbital del mesón virtual formado como resultado del proceso virtual y el movimiento orbital del mesón virtual formado como resultado del proceso virtual [22] . $\pi^{{-}}$ $n\rightleftarrows p+\pi ^{-}$ ${\ estilo de visualización \ pi ^ {+))$ ${\displaystyle p\rightleftarrows n+\pi ^{+))$

Significado físico

¿Son reales las partículas y los procesos virtuales o representan un método conveniente de descripción matemática de la realidad?

Hay dos respuestas opuestas a esta pregunta.

Una respuesta a esta pregunta afirma que las partículas virtuales son más un fenómeno matemático que una realidad física. De hecho, en las expresiones exactas de los procesos de interacción de las partículas reales, no aparecen partículas virtuales en la teoría cuántica de campos . Sin embargo, si tratamos de simplificar la expresión exacta en términos de la teoría de la perturbación expandiéndola en una serie en términos de la constante de interacción ( un pequeño parámetro de la teoría), entonces surge un conjunto infinito de términos. Cada uno de los miembros de esta serie parece como si en el proceso de interacción se crearan y desaparecieran objetos que tienen los números cuánticos de partículas reales. Sin embargo, estos objetos se propagan en el espacio según una ley diferente a la de las partículas reales, y por tanto, si se interpretan como la emisión y absorción de una partícula, entonces habrá que aceptar que la conexión entre energía y cantidad de movimiento no se cumple para a ellos. Por lo tanto, las partículas virtuales aparecen solo cuando simplificamos la expresión original de cierta manera. El concepto de partículas virtuales no surgió sobre la base de hechos experimentales, sino que se derivó del aparato matemático de la física cuántica. Por lo tanto, este es un concepto puramente especulativo para cálculos matemáticos [24] .

Los procesos virtuales ocurren en intervalos de tiempo del orden de segundos, y tales procesos, debido a la relación de incertidumbre entre energía y tiempo, en principio no pueden observarse. Por lo tanto, las partículas y los procesos virtuales son "no observables" y no tienen realidad física [24] . $10^{{-24}}$

Las partículas virtuales están dotadas de propiedades que no tienen significado físico, como masa negativa e imaginaria [24] .

Los procesos virtuales se realizan en violación de las leyes de conservación y, por lo tanto, no pueden ser descritos por la física clásica, ya que cualquier proceso real en la física clásica ocurre de conformidad con las leyes de conservación [24] .

Los defensores de otro punto de vista argumentan que el concepto de partículas virtuales y procesos virtuales tiene un contenido objetivo que refleja fenómenos naturales.

La imposibilidad de observar partículas virtuales en dispositivos de medición no refuta su existencia objetiva. Puede crear partículas virtuales, usarlas para influir en otras partículas, influir en ellas y convertirlas en partículas reales [25] .

Hay una serie de pruebas físicas de la existencia objetiva de partículas virtuales [26] .

Los piones virtuales que rodean a los nucleones desvían los electrones rápidos.
Los fotones virtuales provocan transiciones espontáneas de electrones en un átomo de un nivel de energía más alto a uno más bajo y un cambio de Lamb de los niveles de energía en el átomo de hidrógeno.
Las partículas virtuales pueden convertirse en partículas reales debido a las externas (por ejemplo, cuando se acelera un electrón, los fotones virtuales se convierten en reales [22] ) o internas (por ejemplo, durante la desintegración, los electrones virtuales y los antineutrinos se convierten en reales). ). $\beta$
Cuando se absorben partículas virtuales, las partículas reales se convierten en otras partículas reales (por ejemplo, un neutrón real que absorbe un pión virtual se convierte en un protón real).
Las partículas virtuales se convierten en reales cuando comunican al sistema en el que se encuentran, algo de energía. Por ejemplo, cuando se imparte suficiente energía a los nucleones, los mesones pi virtuales que los rodean se convierten en reales [22] .
Las partículas virtuales dentro de las partículas reales determinan sus propiedades (por ejemplo, las corrientes de los mesones virtuales determinan los momentos magnéticos de los nucleones).
Las partículas virtuales generan campos bastante reales (por ejemplo, nucleares, electromagnéticos).
Las partículas virtuales pueden transferir energía a distancias macroscópicas, como, por ejemplo, durante el funcionamiento de un transformador eléctrico o durante la resonancia magnética nuclear [20] .

Notas

↑ 1 2 Física del microcosmos, 1980 , p. 132.
↑ Novikov, 1986 , pág. 191.
↑ Berestetsky, Lifshits, Pitaevsky, 1980 , p. 53, 351-352.
↑ 1 2 Física del microcosmos, 1980 , p. 133.
↑ Berestetsky, Lifshits, Pitaevsky, 1980 , p. 44, 352.
↑ Shirokov, 1972 , pág. 315.
↑ 1 2 3 Thirring, 1964 , p. 25
↑ Shirokov, 1972 , pág. dieciséis.
↑ Shirokov, 1972 , pág. quince.
↑ Shirokov, 1972 , pág. 303.
↑ Shirokov, 1972 , pág. 304.
↑ Shirokov, 1972 , pág. 306.
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↑ Shirokov, 1972 , pág. 311.
↑ Nishijima, 1965 , pág. quince.
↑ Frisch, 1966 , pág. 98.
↑ Malyarov V.V. Fundamentos de la teoría del núcleo atómico. - M., Fizmatgiz, 1959. - pág. 195-200
↑ Frisch, 1966 , pág. 104.
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↑ 1 2 Shirokov, 1972 , pág. 318.
↑ Thirring, 1964 , p. 23
↑ 1 2 3 4 Savelyev, I. V. Curso de física general. — M .: Nauka, 1987. — V. 3: Óptica cuántica. física atómica. Física del estado sólido. Física del núcleo atómico y partículas elementales. — Pág. 240–244.
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↑ 1 2 3 4 Gott, 1972 , pág. 180.
↑ Gott, 1972 , pág. 181.
↑ Gott, 1972 , pág. 182.

Literatura

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Partículas virtuales - artículo de la Enciclopedia de Física
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