Виртуальные частицы: квантовый вакуум

Виртуальные частицы – возникающие в вакууме и при столкновениях или распадах элементарных частиц короткоживущие ненаблюдаемые частицы. При столкновениях (распадах) элементарных частиц виртуальные частицы играют роль переносчиков взаимодействий. Взаимодействия и взаимные превращения частиц в квантовой теории описываются как рождение или поглощение свободной частицей виртуальных частиц. Так, например, электрон рождает и поглощает виртуальные фотоны.

Рис. 6.3. Схема рождения и аннигиляция частиц

Два простейших процесса с участием виртуальных частиц показаны на рисунке. Виртуальными частицами слева являются электрон, позитрон и фотон. Они одновременно рождаются в вакууме в левом узле и затем исчезают в правом. Рисунок справа иллюстрирует взаимодействие двух реальных электронов посредством обмена виртуальным фотоном, играющим роль переносчика электромагнитного взаимодействия.

Появление любой виртуальной частицы нарушает закон сохранения энергии на некую величину Е, однако, такие нарушения допускаются квантовой механикой в течение интервалов времени t, разрешенных соотношением неопределенностей Е t > ( = h/2 , h – постоянная Планка). В течение интервалов времени t < / Е эти нарушения принципиально ненаблюдаемы, как ненаблюдаемы и сами промежуточные частицы, называемые, поэтому, виртуальными. В момент исчезновения (поглощения) виртуальной частицы баланс энергий восстанавливается.

Для виртуальной частицы не выполняется соотношение специальной теории относительности между полной энергией Е, импульсом и массой m: E² = p²c² + m²c⁴. Так, виртуальный фотон может иметь нулевой импульс, т.е. покоиться, что исключено для наблюдаемого фотона. Несмотря на ненаблюдаемость виртуальных частиц, они реально существуют. На их испускании и поглощении основаны практически все физические процессы происходящие при высоких энергиях и на расстояниях <10^{-8 см.}

Исследуется проблема природы физического вакуума. Рассматриваются требования, при удовлетворении которых физический вакуум может быть отнесен к наиболее фундаментальному виду физической реальности. Делается вывод, что физический объект, претендующий на фундаментальный статус, должен обладать свойством непрерывности. В этом случае он обладает наибольшей общностью и не имеет ограничений, свойственных множеству объектов и явлений, имеющих вторичный статус. Физический вакуум, обладающий свойством непрерывности, расширяет класс известных физических объектов. Вещество и вакуум соотносятся между собой как взаимодополняющие противоположности, они находятся в отношениях дополнительности, соответствующих принципу дополнительности Н.Бора. Новый подход к изучению физического вакуума открывает S-теорема Климонтовича. Закон уменьшения энтропии дает ключ к разрешению фундаментальной коллизии непрерывности и дискретности, которая до сих пор не нашла своего решения.

Стимулом стойкого интереса к физическому вакууму является надежда ученых на то, что он откроет доступ к океану экологически чистой вакуумной энергии.

Вопросы и задания для закрепления знаний:

1. Каковы принципы работы ускорителей элементарных частиц?

2. Приведите примеры явления аннигиляции частиц и дайте пояснение этого процесса на основе квантовой теории.

3. В чем состоят отличия слабого и сильного типов взаимодействия в мире элементарных частиц?

4. Расскажите об истории создания кварковой теории строения элементарных частиц.

5. Что понимают под виртуальными частицами и каковы их особенности?

Дата добавления: 2015-10-21