Cząstka wirtualna

Z Wikipedii

Wirtualne cząstki to cząstki fizyczne, które manifestują swoją obecność poprzez oddziaływanie z innymi cząstkami, jednak ich istnienie łamie zasadę zachowania energii w klasycznym sensie (ale nie kwantowym).

Początkowo stanowiły jedynie wybieg matematyczny, pozwalający na łatwiejsze zrozumienie niektórych praw fizycznych, obecnie ich istnienie zostało potwierdzone eksperymentalnie. Istnienie cząstek wirtualnych jest konsekwencją zasady nieoznaczoności. Z zasady tej wynika, że do nieskończenie dokładnego wyznaczenia energii cząstki, potrzeba nieskończenie długiego czasu. Ponieważ przy pomiarze dysponujemy tylko skończonym czasem - energia cząstki nie jest precyzyjnie określona. W szczególnym wypadku cząstka o zerowej energii (czyli cząstka nieistniejąca) może w krótkiej chwili zaistnieć i posiadać energię osiągającą wartość {wynikającą z zasady nieoznaczoności}:

,

gdzie

- czas istnienia cząstki;

- stała Plancka;

W pewnych okolicznościach cząstki wirtualne mogą uzyskać energię i stać się zwyczajnymi cząstkami.

Spis treści 1 Oddziaływania 2 Energia próżni 2.1 Polaryzacja próżni 2.2 Parowanie czarnych dziur 3 Związek z geometrią 4 Inne przykłady

[edytuj] Oddziaływania

Jeżeli mamy układ dwóch elektronów, jeden o energii E₁, drugi o energii E₂, to w czasie krótszym od t może zajść proces, który z punktu widzenia fizyki klasycznej wymagałby energii . Między elektronami może się pojawić np. wirtualny foton, przez co elektrony zmienią swoją prędkość, zgodnie z zasadą zachowania pędu. Foton ten może istnieć co najwyżej przez czas t, a ponieważ porusza się z prędkością światła, może przebyć co najwyżej drogę r = ct. Jeżeli wyrazimy wzór na energię wirtualnego fotonu w zależności od tej drogi, to okaże się, że jest ona dokładnie równa energii oddziaływania kulombowskiego między elektronami. Wymiana wirtualnych fotonów jest więc mechanizmem oddziaływania elektromagnetycznego.

W podobny sposób można wyprowadzić wzór na siły oddziaływania słabego i silnego, przy uwzględnieniu, że cząstki przenoszące te oddziaływania mają masy i inne liczby kwantowe. Grawitacji jak dotąd nie udało się opisać w ten sposób.

[edytuj] Energia próżni

Wirtualne cząstki cały czas powstają w próżni w parach cząstka-antycząstka i natychmiast znikają. Nazywa się to fluktuacjami kwantowymi. Obecność tych cząstek wpływa na różne zjawiska fizyczne.

[edytuj] Polaryzacja próżni

Np. w próżni powstają pary elektron-pozyton. Dowolna cząstka obdarzona ładunkiem dodatnim, np. proton, będzie przyciągać te wirtualne elektrony a odpychać pozytony (przy pomocy wirtualnych fotonów). Zjawisko to nazywa się polaryzacją próżni. Pary elektron-pozyton obracane przez proton tworzą małe dipole, które swoim polem elektrycznym zmieniają pole protonu. Ładunek elektryczny protonu, który mierzymy, nie jest więc ładunkiem samego protonu, ale całego układu, łącznie z wirtualnymi parami. Gdyby ktoś spróbował jednak obliczyć ładunek samego protonu, to uzyskałby wynik nieskończony. Takie nieskończoności są problemem dla teorii fizycznych i świadczą o ich niekompletności. Aby się ich pozbyć, stosuje się metodę renormalizacji.

[edytuj] Parowanie czarnych dziur

Cząstki wirtualne powstają również w pobliżu czarnych dziur. Jeżeli ich para powstanie dokładnie na horyzoncie zdarzeń, to jedna z tych cząstek wpadnie do czarnej dziury, natomiast druga może odlecieć w przestrzeń, uzyskując tym samym energię i zmniejszając energię dziury. Nazywa się to promieniowaniem Hawkinga i jest to hipotetyczny proces, który może prowadzić do zniknięcia czarnej dziury. Podobne zjawisko zachodzi w ergoobszarze czarnej dziury lub gwiazdy. W takich okolicznościach cząstki te powodują zmiany momentu pędu czarnej dziury.

[edytuj] Związek z geometrią

Istnieje głęboki związek istnienia cząstek wirtualnych z zakrzywieniem czasoprzestrzeni.

Cząstki elementarne występujące w czasoprzestrzeni opisuje się tensorami, będącymi uogólnieniem pojęcia wektora. Można sobie wyobrazić płaską przestrzeń wypełnioną cząstkami, które oddziałują z innymi cząstkami poprzez wymianę cząstek wirtualnych.

Jednak istnieje alternatywny opis oddziaływań, dający takie same wyniki, jak powyższy. Można założyć, że cząstki zakrzywiają przestrzeń wokół siebie (nie musi to być czasoprzestrzeń; może to być jakaś przestrzeń abstrakcyjna). W zakrzywionej przestrzeni inaczej wykonuje się operację różniczkowania tensorów, gdyż zwykłą pochodną cząstkową trzeba zastąpić pochodną kowariantną. Zakrzywienie przestrzeni tłumaczy oddziaływania cząstek bez potrzeby wprowadzania cząstek wirtualnych. Jednak w definicji pochodnej kowariantnej kryje się pojęcie pola kompensacyjnego (zwanego także polem cechowania). Pole kompensacyjne można traktować jako pole cząstki wirtualnej. Ma ono dokładnie te same własności, które mają odpowiednie cząstki wirtualne. Np. oddziaływanie elektronów zachodzi dzięki wymianie wirtualnych fotonów. W definicji pochodnej kowariantnej pola elektronu występuje pole kompensacyjne, które okazuje się być tożsame z polem fotonu (polem elektromagnetycznym).

Ogólna teoria względności jest w całości zapisana w postaci zakrzywienia czasoprzestrzeni, jednak nie można z niej wywnioskować istnienia pola grawitonu. Teorie pól kwantowych utożsamiają pola cechowania z polami cząstek wirtualnych, jednak nie opisują zakrzywienia fizycznej czasoprzestrzeni, tylko różnych przestrzeni abstrakcyjnych. Fizycy mają nadzieję, że uda się połączyć oba podejścia i wytłumaczyć istnienie cząstek wirtualnych jako zakrzywienie czasoprzestrzeni fizycznej.

[edytuj] Inne przykłady

Przykłady zjawisk będących rezultatem występowania wirtualnych cząstek:

• efekt Casimira
• siły van der Waalsa
• spontaniczna emisja promieniowania podczas rozpadu promieniotwórczego.
• przesunięcie Lamba na skutek polaryzacji próżni
• oddziaływania silne pomiędzy kwarkami - będące rezultatem wymiany wirtualnych gluonów.
• oddziaływania słabe będące rezultatem wymiany wirtualnych W bozonów.
• promieniowanie Hawkinga
• kreacja par