Виртуальные частицы на фейнмановских диаграммах

Virtual particles in Feynman diagrams

Итак рассмотри случаи, где бы виртуальные частицы были нам полезны. Иногда вычисления в требует вычислений довольно больших и страшных интегралов, интегрируемых по большому количеству переменных. Обычно занимаясь подомными вещами люди быстро устают. Однако большинство из них имеют регулярную структуру, и могут быть представлены как Диаграммы Фейнмана . Переход от интегралов к феймановским диаграммам очень интересный шаг, так как он позволяет нам простым наглядным образом представить сложную и неинтуитивную формулу доступным для человеческого восприятия образом. In particular, part of the appeal is that the outgoing legs of a Feynman diagram can be associated with real, on-shell particles. Thus, it is natural to associate the other lines in the diagram with particles as well, called the "virtual particles". Mathematically, they correspond to the appearing in the diagram.

The calculation of in theoretical particle physics requires the use of some rather large and complex integrals over a large number of variables. These integrals do, however, have a regular structure, and may be represented as . The appeal of the Feynman diagrams is strong, as it allows for a simple visual presentation of what would otherwise be a rather arcane and abstract formula. In particular, part of the appeal is that the outgoing legs of a Feynman diagram can be associated with real, on-shell particles. Thus, it is natural to associate the other lines in the diagram with particles as well, called the "virtual particles". Mathematically, they correspond to the appearing in the diagram.

На изображении выше и направо, твердые линии соответствуют реальным частицам (импульс ${\displaystyle p_{1}}$ и так далее), в то время как пунктирные линии соответствуют переносу импульса виртуальной частицей импульс "k". Например, если сплошные линии должны были соответствовать электронам , взаимодействующим посредством , пунктир будет соответствовать обмену виртуальными фотонами . В случае взаимодействия нуклонов , пунктир был бы виртуальным пионом . В случае кварков взаимодействующий посредством , пунктир был бы виртуальным глюоном , и так далее.

In the image above and to the right, the solid lines correspond to real particles (of momentum ${\displaystyle p_{1}}$ and so on), while the dotted line corresponds to a virtual particle carrying momentum k . For example, if the solid lines were to correspond to electrons interacting by means of the , the dotted line would correspond to the exchange of a virtual . In the case of interacting , the dotted line would be a virtual pion . In the case of quarks interacting by means of the , the dotted line would be a virtual , and so on.

Сформулировать правило, по которому мы можем различить виртуальные фотоны от реальных, достаточно сложно. Можно сказать, что фотоны, зарегистрированные в детекторе как отдельные частицы - реальные, в то же время как фотоны, о которых мы говорим как о некотором среднем значениии - виртуальны. Мы не фиксируем их самих, а только лишь их сторонние эффекты присутствия.

It is sometimes said that all are virtual photons. This is because the world-lines of photons always resemble the dotted line in the above Feynman diagram: the photon was emitted somewhere (say, a distant star ), and then is absorbed somewhere else (say a in the eyeball ). Furthermore, in the photon's , no time elapses between emission and absorption. This statement illustrates the difficulty of trying to distinguish between "real" and "virtual" particles as mathematically they are the same objects and it is only our definition of "reality" which is weak here. In practice, a clear distinction can be made: real photons are detected as individual particles in , whereas virtual photons are not directly detected; only their average or side-effects may be noticed.

Действительные частицы не обязаны быть только мезонами либо бозонами , как в примере выше; они могут также являться фермионами . Однако, для сохранения квантовых чисел, в обычных диаграммах обмен виртуальными фермионами запрещен. Изображение с права показывает позволенную диаграмму, "диаграмма с одной петлей". Твердые линии соответствуют фермионам, волнистые линии - бозонам.

Virtual particles need not be or bosons , as in the example above; they may also be . However, in order to preserve quantum numbers, most simple diagrams involving fermion exchange are prohibited. The image to the right shows an allowed diagram, a . The solid lines correspond to a fermion propagator, the wavy lines to bosons.

Virtual particles in the vacuum

Formally, a particle is considered to be an of the ${\displaystyle a^{\dagger }a}$ where ${\displaystyle \!a}$ is the particle and ${\displaystyle a^{\dagger }}$ the particle (sometimes collectively called ). In many cases, the particle number operator does not with the for the system. This implies the number of particles in an area of space is not a well-defined quantity, but like other quantum is represented by a . Since these particles do not have a permanent existence, they are called virtual particles or vacuum fluctuations of . In a certain sense, they can be understood to be a manifestion of the time-energy in the vacuum.

An important example of the "presence" of virtual particles in the vacuum is the . Here, the explanation of the effect requires that the total energy of all of the virtual particles in the vacuum be added together. Thus, although the virtual particles themselves are not directly observable in the laboratory, they do leave an observable effect: their results in forces acting on suitably arranged metal plates or dielectrics.

Pair production

In order to conserve the total of the universe, a fermion cannot be created without also creating its antiparticle; thus many physical processes lead to . The need for the of particle fields in the vacuum can be interpreted by the idea that a pair of virtual particles may briefly "pop into existence", and then annihilate each other a short while later.

Thus, virtual particles are often popularly described as coming in pairs, a and antiparticle , which can be of any kind. These pairs exist for an extremely short time, and mutually annihilate in short order. In some cases, however, it is possible to boost the pair apart using external energy so that they avoid annihilation and become real particles.

This may occur in one of two ways. In an accelerating , the virtual particles may appear to be real to the accelerating observer; this is known as the . In short, the vacuum of a stationary frame appears, to the accelerated observer, to be a warm gas of real particles in . The Unruh effect is a toy model for understanding , the process by which .

Another example is in very strong electric fields, sometimes called . If, for example, a pair of are merged together to very briefly form a nucleus with a charge greater than about 140, (that is, larger than about the inverse of the ), the strength of the electric field will be such that it will be energetically favorable to create positron-electron pairs out of the vacuum or , with the electron attracted to the nucleus to annihilate the positive charge. This pair-creation amplitude was first calculated by in 1951 .

The restriction to particle-antiparticle pairs is actually only necessary if the particles in question carry a quantity, such as , which is not present in the initial or final state. Otherwise, other situations can arise. For instance, the of a can happen through the emission of a single virtual, negatively charged that almost immediately decays into a real electron and ; the neutron turns into a proton when it emits the W particle. The evaporation of a black hole is a process dominated by , which are their own antiparticles and are uncharged.

It is sometimes suggested that pair production can be used to explain the origin of matter in the universe . In models of the Big Bang , it is suggested that vacuum fluctuations, or virtual particles, briefly appear. Then, due to effects such as , an imbalance between the number of virtual particles and antiparticles is created, leaving a surfeit of particles, thus accounting for the visible matter in the universe.

History

был первым, кто предложил, чтобы пустое пространство (вакуум) может быть представлено как состоящий из моря виртуальных электрон-позитронных пар, известных как море Дирака . Море Дирака имеет прямой аналог к структуре в кристаллических твердых частицах ( ? ) как описано в физике твердого тела . Здесь, частицам соответствуют электроны , и античастицам - дырки . Разнообразие интересных явлений может быть приписано этой структуре.

Paul Dirac was the first to propose that empty space (the vacuum) can be visualized as consisting of a sea of virtual electron-positron pairs, known as the . The Dirac sea has a direct analog to the structure of in solids as described in . Here, particles correspond to , and antiparticles to . A variety of interesting phenomena can be attributed to this structure.

Флогистон

Флогисто́н (от греч. phlogistos — горючий, воспламеняемый) — гипотетическая «огненная субстанция», якобы наполняющая все горючие веществах и высвобождающаяся из них при горении .

Термин введён в начале XVIII века Иоганном Бехером и Георгом Шталем в 1703 году для объяснения процессов горения . Флогистон представляли как невесомую жидкость , улетучивавшуюся из вещества при сжигании. В то время считалось, что металл — это соединение «земли» (оксида металла) с флогистоном, и при горении металл разлагается на «землю» и флогистон, который смешивается с воздухом и не может быть отделён от него. Увеличение массы металла при сгорании объясняли отрицательной массой флогистона. Способность выделять флогистон из воздуха приписывали растениям.

Флогистон и открытие газов

Химики XVI и XVII веков достаточно часто упоминали о выделении газа при воздействии кислот на металлы. Первым собрал и исследовал выделяющийся газ Генри Кавендиш только в 1766 . Будучи сторонником теории флогистона, Кавендиш полагал, что этот газ, по причине его горючести и легкости, и есть чистый флогистон. Уже позже, в 1783 году, Антуана Лавуазье , проведя исследование воды, доказал сложность её состава, а в 1787 определил "горючий воздух" как новый химический элемент, который теперь известен под именем Водорода .

Так как вещество прекращает гореть либо когда сгорит полностью, либо когда в объеме, где оно горит, кончится весть воздух, то воздух был также какое-то время частью теории. Таким образом считалось, что именно воздух поглощает флогистоны, покидающие горящее тело. Джозеф Блак , студент Дэниел Рутэрфорд (Daniel Rutherford), обнаружил Азот в 1772 . и пара использовал теорию объяснить его результаты. Остаток воздуха, оставленного после горения, фактически смесь азота и углекислого газа , иногда упоминался " phlogisticated air " (перенасыщенный флогистонами), будучи перенасыщенным флогистонами.

Наоборот же, когда Кислород был сначала обнаружен, это, как думали, было " dephlogisticated air " (бедный флогистонами), способный к объединению с большим количеством флогистонов и таким образом может поддерживать горение дольше чем обычный воздух.

Значение флогистона для химии

Гипотеза флогистона была первой теорией в химии и позволила обобщить множество реакций. Это было заметным шагом на пути становления химии как науки. В 70x годах XVIII века теория флогистона была опровергнута трудами Антуана Лавуазье , благодаря которым ее сменила другая — кислородная теория горения.

Theory

The theory holds that all materials contain phlogiston (derived noun form of the phlogistos , meaning flammable), a substance without color , , , or weight that is liberated in burning. Once burned, the "dephlogisticated" substance was held to be in its "true" form, the . {{ }} "Phlogisticated" substances are those that contain phlogiston and are "dephlogisticated" when burned. Since any substance could be observed to burn for only a limited time with limited air (for instance in a sealed container), air was thought to have a specific capacity for phlogiston.

's student Daniel Rutherford discovered Nitrogen in 1772 and the pair used the theory to explain his results. The residue of air left after burning, in fact a mixture of nitrogen and , was sometimes referred to as "phlogisticated air", having taken up all of the phlogiston.

Conversely, when oxygen was first discovered it was thought to be "dephlogisticated air", capable of combining with more phlogiston and thus supporting combustion for longer than ordinary air.

Challenge and demise

Eventually, quantitative revealed problems, including the fact that some metals, such as magnesium , gained weight when they burned, even though they were supposed to have lost phlogiston. attempted to reiterate Robert Boyle 's celebrated experiment in 1753 and concluded that the phlogiston theory was false. He wrote in his diary: "Today I made an experient in hermetic glass vessels in order to determine whether the mass of metals increases from the action of pure heat. The experiment demonstrated that the famous Robert Boyle was deluded, for without access of air from outside, the mass of the burnt metal remains the same."

Some phlogiston proponents explained this by concluding that phlogiston had "negative weight"; others, such as Guyton de Morveau, gave the more conventional argument that it was lighter than air. However, a more detailed analysis based on the Archimedean principle and the densities of magnesium and its combustion product shows that just being lighter than air cannot account for the increase in mass.

Still, phlogiston remained the dominant theory until showed that combustion requires oxygen , solving the weight paradox and setting the stage for the new of combustion.

In some respects, the phlogiston theory can be seen as the opposite of the modern "oxygen theory". The phlogiston theory states that all flammable materials contain phlogiston that is liberated in burning, leaving the "dephlogisticated" substance in its "true" calx form. In the modern theory, on the other hand, flammable materials (or unrusted metals) are "deoxygenated" when in their pure form and become oxygenated when burned.

Атмосферики

Атмосферики — , создаваемые радиоволнами , излучаемыми разрядами молний . Вблизи земной поверхности происходит около 100 разрядов молний в 1 сек. Поэтому в любой точке земного шара можно практически непрерывно регистрировать атмосферики. При радиоприёме на слух атмосферики воспринимаются как шорохи или характерные свисты, создающие атмосферные помехи радиоприёму. Разряд молнии имеет 2 стадии: предразряд и основной разряд, различающиеся силой тока и спектром излучаемых радиоволн. Основной разряд излучает сверхдлинные волны, а предразряд — длинные волны , средние волны и даже короткие волны . Максимум энергии атмосферика лежит в области частот порядка 4—8 кгц. Если атмосферик создаются местными грозами , то их спектр определяется только спектром излучения грозового . Если же источник — удалённая гроза, то спектр определяется также и условиями распространения радиоволн от очага грозы до радиоприёмного устройства.

Некоторые атмосферики воспринимаются на слух как сигналы, частота которых непрерывно уменьшается. Такие атмосферики называются свистящими . Их особенность связана с механизмом распространения сверхдлинных волн. При распространении таких волн в волноводе, образованном нижней границей ионосферы и поверхностью Земли, происходит частичное «просачивание» их через ионосферу. Просочившиеся волны, распространяясь вдоль силовых линий магнитного поля Земли, удаляются от поверхности Земли на десятки тыс. км и затем снова возвращаются к Земле. Скорость их распространения зависит от частоты, высокочастотные составляющие сигнала распространяются с большей скоростью и приходят раньше. Это и приводит к возникновению на выходе приёмного устройства характерного свиста, высота тона которого непрерывно меняется.