Virtuální částice

Feynmanův diagram Coulombova rozptylu dvou elektronů. Čtyři přímé čáry symbolizují přicházející nebo odcházející elektrony ve skutečných stavech, vlnovka virtuální foton, který zprostředkovává elektromagnetickou interakci. (Čas běží zdola nahoru.)

Virtuální částice , střední částice nebo částice ve virtuální stavu je pojem z kvantové pole , kde je potřeba pro teoretický popis základních interakcí z elementárních částic . Virtuální stav částice si lze představit jako krátkodobý přechodný stav, ke kterému dochází během interakce mezi dvěma částicemi, které jsou v „normálním“, tj. Reálném stavu . Virtuální částice jako výměnná částice ve skutečnosti vytváří tuto interakci, ale ve virtuálním stavu není navenek nikdy viditelná. Takže z. B. v kvantové elektrodynamiky elektromagnetické interakce dvou elektronů zprostředkovaných výměně virtuálního fotonu . Důkaz je nepřímý: hodnoty vypočítané pomocí tohoto konceptu jsou v experimentu potvrzeny s přesností až 1: 10 miliard. V zásadě může každá částice nabývat skutečných a virtuálních stavů.

Virtuální částice se vyskytují v každém ze tří typů interakcí, které lze popsat kvantovou teorií pole. Virtuální částice jsou součástí Feynmanových diagramů , z nichž každý reprodukuje určitý termín ve výpočtu teoretického narušení kvantového pole . Feynmanův diagram se skládá z různých čar, které se setkávají v uzlech, vrcholech . Rozlišují se vnější čáry (ty, které mají volný konec) pro příchozí a odchozí částice ve skutečném stavu a vnitřní čáry (ty, které spojují dva vrcholy) pro virtuální částice. V souvislosti s fluktuacemi vakua jsou uvažovány také Feynmanovy diagramy bez vnějších linií, ve kterých částice vznikají z vakua a poté se znovu rozpadají a přispívají tak k vakuové energii . Objevují se zde pouze virtuální částice.

charakteristiky

Podstatný rozdíl mezi (skutečnými pozorovatelnými) skutečnými částicemi a nepozorovatelnými virtuálními částicemi je v tom, že energie a hybnost ve virtuálním stavu nesplňují vztah energie a hybnosti, pokud je ve skutečném stavu dobře určená hmotnost stejné částice. Lze tedy říci, že virtuální částice nemají v odborném žargonu definovanou hmotnost: „Nejsou omezeny na hromadnou skořápku “ (nebo nejsou „na skořápce“). Například když jsou dva elektrony pružně rozptýleny, virtuální foton přenáší pouze hybnost, ale žádnou energii, při pohledu v systému těžiště. ${\ displaystyle E}$${\ displaystyle p}$ ${\ displaystyle E ^ {2} -p ^ {2} c ^ {2} = m ^ {2} c ^ {4}}$${\ displaystyle m}$

Tato vlastnost může pomoci vizualizovat chování virtuální částice: Protože ani u virtuální částice není porušen zákon zachování energie a hybnosti , mají tyto hodnoty pro energii a hybnost pro skutečný stav podle vztahu energie-hybnost zakázány. jsou. Důvod, který je často třeba číst, že podle vztahu nejistoty energie a času může být dočasně porušena ochrana energie, je poněkud zavádějící. Vzdálenost, kterou by částice v tomto čase mohla cestovat rychlostí světla, omezuje myslitelný poloměr jakýchkoli účinků. V případě nízkoenergetických procesů je dosahem přesně Comptonova vlnová délka dotyčné částice. Tímto způsobem lze zhruba pochopit konečný rozsah jaderných sil nebo slabou interakci . V souladu s tím z. Například je možný radioaktivní rozpad beta, protože dotyčná výměnná částice ( W boson ) může vzniknout jako virtuální částice i bez dodávky energie. Díky své velké hmotě však může mít účinek pouze v rozsahu jedné tisíciny poloměru protonu, což vysvětluje poměrně nízkou pravděpodobnost přechodu a přidalo tak k interakci slovo „slabý“. Stejným způsobem je také možné, že indikace o existenci velmi těžkých částic jsou pozorovány již dříve, než je srážková energie dosažená v urychlovačích částic dostatečná k jejich výrobě ve skutečném stavu. ${\ displaystyle E}$${\ displaystyle p}$

Virtuální stavy lze formálně rozpoznat sečtením nad nimi v teorii poruch . Naproti tomu počáteční a konečný stav teorie poruch jsou označovány jako skutečné stavy. Jako příklad zvažte druhý řád expanze kvantově mechanické poruchy:

${\ displaystyle E_ {n} ^ {2} = \ součet _ {k (\ neq n)} {\ frac {\ langle n ^ {0} | H_ {1} | k ^ {0} \ rangle \ langle k ^ {0} | H_ {1} | n ^ {0} \ rangle} {E_ {n} ^ {0} -E_ {k} ^ {0}}} = \ součet _ {k (\ neq n)} {\ frac {| \ langle k ^ {0} | H_ {1} | n ^ {0} \ rangle | ^ {2}} {E_ {n} ^ {0} -E_ {k} ^ {0}} } \,.}$

To by byl skutečný stav, ale stavy se používají jako virtuální stavy. ${\ displaystyle | n ^ {0} \ rangle}$${\ displaystyle | k ^ {0} \ rangle}$

Citáty

Individuální důkazy

1. ^ Frank Wilczek: Lehkost bytí: hmota, éter a sjednocení sil . Základní knihy, New York 2008, ISBN 978-0-465-00321-1 , Glosář, str. 241 . 

literatura

• B. Povh, K. Rith, Chr. Scholz, F. Zetsche: Částice a jádra: úvod do fyzikálních konceptů . 8. vydání. Springer, Berlin 2009, ISBN 978-3-540-68075-8 ( omezený náhled ve vyhledávání knih Google). 
• H. Frauenfelder, EM Henley: Částice a jádra . 4. vydání. Oldenbourg, Mnichov 1999, ISBN 3-486-24417-5 , str. 98 násl., 318 . 
• W. Demtröder: Experimental Physik 4 . 1. vydání. Springer, Berlin 1998, ISBN 3-540-57097-7 , str. 109 ff . 
• J. Bleck-Neuhaus: Elementární částice . 2. vydání. Springer, Berlin 2013, ISBN 978-3-642-32578-6 , str. 482 ff ., doi : 10.1007 / 978-3-642-32579-3 ( omezený náhled ve vyhledávání knih Google).