Виртуальные частицы могут звучать как научная фантастика, но они являются реальными концепциями квантовой механики. Эти странные сущности играют ключевую роль в описании взаимодействий между частицами, такими как электричество и магнетизм. Но что на самом деле представляют собой виртуальные частицы: реальные объекты или просто удобный математический инструмент? Давайте вместе разберемся в этом вопросе.
Что такое виртуальные частицы?
Начнем с того, что термин «виртуальная частица» может ввести в заблуждение. В отличие от традиционных частиц (фотонов, электронов и т д.), виртуальные частицы не могут быть непосредственно обнаружены и не существуют в традиционном понимании. Они только «появляются» при обмене энергией и взаимодействиях между обычными частицами. По сути, это математические «пики», присутствующие в уравнениях квантовой механики и квантовой теории поля.
Чтобы лучше понять, представьте, что вы бросаете мяч другому человеку: мяч передает энергию от вас к нему. В квантовой механике переносятся не шарики, а виртуальные частицы — невидимые векторы взаимодействий.
Как и почему они появились?
Виртуальные частицы возникают в результате квантовых флуктуаций – мгновенных изменений энергии в вакууме. Из-за этих флуктуаций пары виртуальных частиц могут ненадолго появляться и снова исчезать. Это не нарушает закон сохранения энергии, поскольку они существуют недолго и «черпают» энергию из вакуума.
В квантовой теории поля виртуальные частицы моделируют взаимодействия: например, обмен фотонами между электронами создает электромагнитную силу, а глюоны обеспечивают сильные взаимодействия между протонами и нейтронами-кварками.
Виртуальные частицы в диаграммах Фейнмана
Ричард Фейнман, один из величайших физиков 20-го века, придумал диаграммы, позволяющие визуализировать взаимодействие элементарных частиц. На этих рисунках обычные частицы изображены линиями, а виртуальные частицы — пунктирными линиями, символизирующими временные состояния, которые помогают частицам «общаться».
Диаграммы Фейнмана помогают рассчитать, как происходят взаимодействия на субатомном уровне, и подтверждают, что роль виртуальных частиц является скорее математической необходимостью.
Реальны ли виртуальные частицы?
Этот вопрос вызвал горячие споры среди ученых.
Обратите внимание: В течение четырех лет британская компания Vertical Aerospace хочет ввести в эксплуатацию летные такси с дальностью полета до 800 км.
Во-первых, виртуальные частицы никогда не наблюдаются напрямую и не могут быть обнаружены детекторами. Это заставило некоторых физиков поверить, что виртуальные частицы — это всего лишь абстрактный математический трюк.С другой стороны, без них было бы невозможно описать такие явления, как силы электронов в атомах и взаимодействия в ядерной физике. Виртуальные частицы, хотя и невидимы, проявляют себя через влияние на измеримые процессы.
Примеры виртуальных частиц
- Лэмбовский сдвиг: виртуальная частица вызывает небольшое изменение уровня энергии атома водорода, которое называется лэмбовским сдвигом.
— Эффект Касимова: Этот эффект представляет собой физическое явление, при котором две металлические пластины в вакууме притягиваются друг к другу из-за колебания виртуальных частиц в пространстве между ними.
Важность виртуальных частиц в физике элементарных частиц
Виртуальные частицы играют ключевую роль в нашем понимании сил и взаимодействий, которые создают мир вокруг нас. Без них теория, описывающая электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия, была бы неполной. Они помогают объяснить, почему и как атомы и молекулы держатся вместе, и помогают моделировать процессы, происходящие в реакторах и звездах.
последние исследования
Современные исследования продолжают изучать свойства виртуальных частиц. Недавно учёные разработали методы косвенного подтверждения существования виртуальных частиц путём измерения энергии и структуры атомов и ядер. Одним из примеров является измерение изменений энергии в атомах с помощью сверхточных лазеров и детекторов.
Вывод: реальность или математический обман?
Виртуальные частицы, скорее всего, останутся математическими «инструментами» для объяснения сложных процессов взаимодействия. Но, несмотря на их неуловимость, их эффекты наблюдаемы и необходимы для создания моделей. Пока физика не даст более четких ответов, виртуальные частицы останутся важной частью науки и объяснением многих явлений.
дальнейшее чтение
—— «Квантовая теория поля», Майкл Э. Пескин, Дэниел В. Шредер
—— «Фейнмановские лекции по физике», Ричард Фейнман
— Статья о роли виртуальных частиц в ядерных взаимодействиях
[Моя] Наука Физика Квантовая механика Квантовая теория Ричард Фейнман Мультивселенная Астрономические исследования Длинный пост 1Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Виртуальная частица: Реальность или математический трюк?.
- Прежде чем облачиться в халат хирурга, врачи проходят долгий академический путь, чтобы освоить теоретические тонкости и практические требования своей дисциплины
- С тех пор как быстрые гамма-всплески, или быстрые радиовсплески (FRB), были впервые замечены в 2007 году, астрономы пытаются расшифровать их происхождение и значение