Was sind eigentlich virtuelle Teilchen?

Dies ist die Teilchentabelle, auf der das Standardmodell der Elementarteilchenphysik basiert:

Diese Teilchen sind vollständig und einzigartig durch ihre Masse und Quantenzahlen charakterisiert , wie Spin, Geschmack, Ladung ...

Das Standardmodell ist ein mathematisches Modell, das auf einer Lagrangefunktion basiert, die die Wechselwirkungen all dieser Teilchen enthält und in die vier Dimensionen der speziellen Relativitätstheorie eingefasst ist. Das bedeutet, dass die Masse jedes Teilchens, Ruhemasse genannt (weil es die unveränderliche Masse ist, die das Teilchen in seinem Ruhesystem hat) im Energie-Impuls-System gegeben ist durch :

Das Standardmodell Lagrange erlaubt die Berechnung von Wirkungsquerschnitten und Lebensdauern für Elementarteilchen und deren Wechselwirkungen unter Verwendung von Feynman-Diagrammen, die eine ikonische Darstellung komplizierter Integrale sind:

In diesem Modell sind nur die äußeren Linien mess- und beobachtbar, und die ein- und ausgehenden Teilchen befinden sich auf der Massehülle. Die inneren Linien in den Diagrammen tragen nur die Quantenzahlen des ausgetauschten benannten Teilchens, in diesem Beispiel eines virtuellen Photons. Diese "Photonen" haben statt einer Masse von Null, wie sie es bei Messung/Beobachtung tun, eine variierende Masse, die durch das Integral auferlegt wird, unter dem sie "existieren". Die Funktion der virtuellen Linie besteht darin, die Quantenzahl-Erhaltungsregeln einzuhalten und als Gedächtnisstütze zu helfen. Es stellt kein messbares "Teilchen" dar, sondern eine Funktion, die für die Berechnung von Wirkungsquerschnitten und Lebensdauern gemäß den Integrationsgrenzen erforderlich ist, die in das zu untersuchende Problem eingehen.

ps Meine Antwort auf diese andere Frage könnte relevant sein, um zu bestimmen, was ein Partikel ist .

Ich kann das Obige nicht verbessern, aber ich kann etwas von einer anderen existenziellen Natur veranschaulichen. Die Frage "Was sind eigentlich virtuelle Teilchen?" ist widersprüchlich, denn es gibt keine wirklichen virtuellen Teilchen. Virtuelle Teilchen sind eine Manifestation der perturbativen Quantenfeldtheorie. Die inneren Linien in Feynman-Diagrammen sind Propagatoren mit einer Summierung über Impuls oder Energie. Wie wir aus der Elementarrechnung wissen, ist eine Integrationsvariable eine Dummy-Variable. Dasselbe gilt in vielerlei Hinsicht für virtuelle Teilchen. Virtuelle Teilchen sind eine Manifestation unseres Formalismus. In vielerlei Hinsicht sind sie virtuell, weil sie eine mentale Konstruktion sind. Sie sind wirklich Gadgets, die wir einsetzen, um Probleme zu lösen.

Ein virtuelles Teilchen ist eine Mode im Feld, die der Dispersionsrelation für eine frei laufende Welle nicht gehorcht. Ein Beispiel für eine solche Beziehung zwischen Kreisfrequenz und Wellenvektor ist:

Stellen Sie sich in einem einfacheren Beispiel eine an beiden Enden befestigte Schnur vor, die Wellen mit Geschwindigkeit unterstützt$v$. Stellen Sie sich nun vor, die Schnur an einem Punkt nach oben zu ziehen, wodurch es zwei gerade Linien auf beiden Seiten des Zuges anstelle einer geraden Linie gibt. Solange diese Saite gehalten wird, besteht ihre Auslenkung aus virtuellen Phononen, weil die Fourier-Zerlegung der Saitenform nicht den Bewegungsgleichungen der freien Saite gehorcht (daher kommen Dispersionsbeziehungen - die Bewegungsgleichungen). Sobald die Saite losgelassen wird, werden alle diese virtuellen Phononen "real", wenn die Saite zu vibrieren beginnt. In diesem Beispiel ist die auf die Saite ausgeübte externe Kraft wie die Ladung des Teilchens, so dass eine echte Teilchen-Antiteilchen-Vernichtung erfordern würde, dass Kräfte, die in entgegengesetzte Richtungen wirken, schnell von der Saite zusammengezogen werden und dabei Wellen freisetzen.

Man könnte sich also „echte“ Photonen als Wanderwellen vorstellen, die in Abwesenheit von Ladungen den Maxwellschen Gleichungen gehorchen. Virtuelle Photonen sind das, was Sie brauchen, um das Feld zu beschreiben, wenn Ladungen vorhanden sind.

Ein echtes Teilchen oder nur ein Teilchen ist so definiert, dass es eine Masse hat$m$das erfüllt$m^2 = E^2 -\vec{p}^2$($c=1$) für gegeben$E$,$\vec{p}$. Es besteht also eine Beziehung für$E$und$\vec{p}$und solche Teilchen sollen sich auf ihrer Massenhülle befinden (plot$E=\pm \sqrt{m^2+\vec{p}^2}$für die Schale). Im Gegensatz dazu erfüllt ein virtuelles Teilchen diese Beziehung nicht und es besteht keine Verbindung zwischen ihnen$E$und$\vec{p}$durch seine Masse wird es gerufen, aus seiner Masse-Schale herauszukommen.

Das Konzept der virtuellen Teilchen ist eine Interpretation von Zwischenzuständen in Streuprozessen in der Quantenfeldtheorie, die nicht gehorchen$m^2 = E^2-\vec{p}^2$. Es gibt jedoch eine andere Interpretation, die in den frühen Tagen der Quantenfeldtheorie verwendet wurde und heute aus Symmetriegründen weniger verwendet wird. Die Idee ist, die Verletzung der Energieerhaltung für Zwischenzustände in Streuprozessen zu ermöglichen. Jetzt kann man reparieren$m^2=E^2-\vec{p}^2$und stellt wieder her, dass alle kommenden Partikel real sind.

Die Frage nach virtuellen Teilchen ist also von der gleichen Art wie die Frage, wie Messungen in der Quantenmechanik zu interpretieren sind: Man hat ein theoretisches Konzept, das die richtigen Ergebnisse liefert, aber es gibt keine Analoga für dieses Konzept in unserer makroskopischen Welt, und wir sind es daher nicht in der Lage, intuitiv zu verstehen, was vor sich geht. Trotzdem stellen sich die Menschen lebhafte Interpretationen darüber vor, was wirklich jenseits unserer Sicht vor sich geht. Das Komische ist, dass man keine Interpretation als richtig oder falsch beweisen kann, man kann sie nur aufgrund persönlicher Gefälligkeiten mögen oder nicht mögen.

Dies ist eine Quelle für viel Verwirrung. Bevor man antwortet, was ein virtuelles Teilchen ist, sollte man wahrscheinlich diskutieren, was ein Teilchen ist. Das liegt daran, dass das Wort Teilchen nicht besonders gut zur mikroskopischen Natur der Materie passt, also zu Quantenfeldern. Ein makroskopisches klassisches Teilchen hat zu einem bestimmten Zeitpunkt eine wohldefinierte Position, Impuls und Energie, aber ein Quantenfeld, das Materie beschreibt, hat dies notwendigerweise nicht.

Denken Sie an Teilchenbeschleuniger. Es gibt ein riesiges Vakuum und Partikel bewegen sich frei, bis sie an einem Hot-Spot sehr kurz interagieren. Die ein- und ausgehenden symptotisch freien Quantenzustände breiten sich zum Beispiel unter Beibehaltung von Impuls und Energie aus (diese werden normalerweise als ebene Wellenlösungen angesehen und als auf Massenhülle bezeichnet). Es ist sinnvoll, zum Beispiel über 245GeV-Partikel zu sprechen. Daher werden in der Streutheorie diese ein- und ausgehenden Zustände Teilchen genannt (und vielleicht kommt daher der Name Teilchen, da sie klassischen Teilchen am meisten ähneln, wenn sie frei sind).

Während der Interaktion ist jedoch alles ein Durcheinander. Es ist nicht möglich, Partikel anhand ihrer Lösungen einfach zu identifizieren. Wir wissen jedoch genau, wie sich diese Felder ausbreiten sollten und dass Mathematik mithilfe von Feynman-Diagrammen formuliert werden kann. Beispielsweise können zwei Elektronen ein Photon austauschen. Dieses Photon befindet sich im Hot-Spot und kann niemals gemessen werden. Es befindet sich innerhalb des Feynman-Diagramms und wird normalerweise als virtuelles Teilchen bezeichnet.

Was ich gerade geschrieben habe, ist nur eine Definition für Teilchen im Kontext der Streutheorie. Es gibt viele andere im Zusammenhang mit anderen Theorien und sie werden verwendet, um beim Denken zu helfen oder zumindest Dinge zu benennen. Das Problem ist nicht, dass es so viele Definitionen gibt, sondern das Problem ist wirklich, dass das klassische Teilchen nicht so gut in die Quantenmechanik passt.

Streng nach dieser Definition würde beispielsweise ein Elektron in einem Wasserstoffatom als virtuell klassifiziert werden, da es ständig virtuelle Photonen mit den Kernen austauscht und nur das Photon, das es misst, real sein sollte. In der Festkörpertheorie und Quantenchemie ist es jedoch sehr üblich, über das erste Elektron des Wasserstoffs als Teilchen zu sprechen. Man kann auch den Grundzustand des Wasserstoffvakuums herstellen und über Löcher (Elektronen gingen aus dem 1s-Orbital) und Elektronen (Elektronen in einem anderen Orbital) sprechen. Das Präfix habe ich hier quasi weggelassen, da es im normalen Jargon nicht oft verwendet wird. Das heißt, das Wort Elektron (oder Teilchen für diese Materie) ist sehr kontextabhängig.

Wenn Sie mich fragen, ob die virtuellen Teilchen echt sind und mich dazu zwingen, mit einem Wort zu antworten, würde ich sagen: Ja. Ich möchte klarstellen, dass sie so real sind wie reguläre Teilchen (in der Streudefinition) und unsere Unfähigkeit, sie während Wechselwirkungen zu charakterisieren, daran nichts ändert. Außerdem sollte hinzugefügt werden, dass die Realität von allem immer eine metaphysische Diskussion ist.