Виртуальные частицы

Виртуальные частицы, частицы, существующие в промежуточных, имеющих малую длительность состояниях, для которых не выполняется обычное соотношение между энергией, импульсом и массой. Другие характеристики В. ч. — электрический заряд, спин, барионный заряд и т.д. — такие же, как у соответствующих реальных частиц.

  Понятие В. ч. и виртуальных процессов занимает центральное место в современной квантовой теории поля. В этой теории взаимодействие частиц и их взаимные превращения рассматриваются как рождение или поглощение одной свободной частицей других (виртуальных) частиц. Любая частица непрерывно испускает и поглощает В. ч. различных типов. Например, протон испускает и поглощает виртуальные пи-мезоны (наряду с другими В. ч.) и благодаря этому оказывается окружённым облаком В. ч., число которых, вообще говоря, неопределённо.

  С точки зрения классической физики, свободная частица (частица, на которую не действуют внешние силы, т. е. покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно) не может ни породить, ни поглотить другую частицу (например, свободный электрон не может ни испустить, ни поглотить фотон), так как в таких процессах нарушался бы либо закон сохранения энергии, либо закон сохранения импульса. Действительно, покоящийся электрон имеет минимальную возможную энергию (энергию покоя, равную, согласно теории относительности, m₀с², где m₀ — масса покоя электрона, с — скорость света). Поэтому такой электрон не может испустить фотон, всегда обладающий энергией: при этом нарушался бы закон сохранения энергии. Если электрон движется с постоянной скоростью, он также не может (за счёт своей кинетической энергии) породить фотон, так как в таком процессе нарушался бы закон сохранения импульса: потеря импульса электроном, связанная с потерей энергии на рождение фотона, была бы большей импульса фотона, соответствующего его энергии (из-за различия масс этих частиц). То же относится и к процессу поглощения фотона свободным электроном.

  Иная ситуация в квантовой механике. Согласно фундаментальному принципу квантовой механики — принципу неопределённости (см. Неопределённостей соотношение), у любой частицы, «живущей» малый интервал времени ∆t, энергия не является точно фиксированной. Разброс возможных значений энергии ∆E удовлетворяет неравенству ∆E ³ ћ/∆t  где ћ — постоянная Планка, делённая на 2π. Аналогично, частица, существующая лишь в области размером ∆x, имеет разброс импульса ∆р_x порядка ∆p_x ³ ћ/∆x Энергия и импульс непрерывно флуктуируют, и в течение малых промежутков времени может «временно нарушаться» (в классическом смысле) закон сохранения энергии, а процессы, протекающие внутри малых объёмов, могут сопровождаться «местными нарушениями» закона сохранения импульса.

  Именно вследствие принципа неопределённости возможно испускание и поглощение свободным электроном виртуального фотона и другие аналогичные процессы; нужно лишь, чтобы весь процесс испускания и поглощения длился достаточно малое время, так, чтобы связанное с ним «нарушение» закона сохранения энергии укладывалось в рамки соотношения неопределённостей. Законы сохранения электрического заряда и некоторых других характеристик микрочастиц (барионного заряда, лептонного заряда) при таких виртуальных процессах строго выполняются.

  Эти факты можно истолковать и иначе. Именно, считать, что энергия сохраняется и в процессах, длящихся сколь угодно малое время, необычная связь кинетической энергии частицы с её импульсом и массой, E = р²/2m₀, нарушается; при больших скоростях нарушается соответствующее релятивистское соотношение (см. Относительности теория), E² = c²p² + с⁴m²₀. Обе точки зрения но существу равноценны. Однако при развитии математического аппарата квантовой теории поля вторая точка зрения предпочтительнее.

  Взаимодействие обычных, реальных частиц в подавляющем большинстве случаев происходит путём испускания и поглощения (обмена) В. ч. Энергия и импульс реальных частиц до и после реакции остаются неизменными, а во время реакции законы сохранения этих величин не выполняются. Вся теория строится так, что любая реакция может быть представлена как результат различных виртуальных процессов, протекающих за малое время реакции.

  Кроме обмена В. ч., в теории большую роль играет процесс образования В. ч. при поглощении одной реальной частицей другой реальной же частицы. Например, комптон-эффект, т. е. процесс рассеяния фотона электроном, происходит главным образом за счёт следующего механизма: вначале фотон поглощается электроном с образованием виртуального электрона, а затем этот виртуальный электрон снова распадается на реальные электрон и фотон (но уже имеющие другие направления движения и энергии, т. е. рассеянные).

  Хотя В. ч. отличаются от реальных тем, что для них не выполняется обычное соотношение между энергией и импульсом (из-за чего они не могут быть по отдельности зарегистрированы счётчиком элементарных частиц или другими аналогичными устройствами, которые всегда являются классическими приборами), считать их несуществующими нет достаточных оснований. Физики отказались от классического непрерывного поля Фарадея — Максвелла, как от не соответствующего действительности. Поэтому, если допустить, что появление В. ч. в теории есть лишь следствие приближённых методов расчёта (существует и такая точка зрения), то неизбежен возврат к теории взаимодействия частиц друг с другом на расстоянии без какого-либо посредника. Но подобные представления теории дальнодействия давно отвергнуты наукой (см. Взаимодействие, Поля физические).

  Г. Я. Мякишев.