Віртуальная часьцінка

Віртуа́льная часьці́нка — некаторы абстрактны аб’ект у квантавай тэорыі поля, які мае квантавыя лікі адной з рэальных элемэнтарных часьцінак (з масай $m$), для якога, аднак, не выконваецца звычайная сувязь паміж энэргіяй і імпульсам ($E^{2}\not =m^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}$). Віртуальныя часьцінкі ня могуць «уляцець на бясконцасьць»; яны нараджаюцца і павінны пасьля ці паглынуцца якой-небудзь часьцінкай, ці проста распасца. Можна сказаць, што віртуальныя часьцінкі — гэта і ёсьць мэханізм, які ажыцьцяўляе узаемадзеяньне.

Віртуальнасьць часьцінкі характэрызуецца рэлятывісцкі-інварыянтнай велічынёй $Q^{2}=E^{2}-p^{2}c^{2}-m^{2}c^{4}$, прычым $Q^{2}$ можа быць як дадатнай, так і адмоўнай велічынёй. Вобласьць значэньняў E і p, пры якіх віртуальнасьць роўна нулю, называецца масавай паверхняй ці масавай абалонкай часьцінкі.

Хоць маса і энэргія віртуальных часьцінак не абмежаваны, іх існаваньне не парушае закон захаваньня энэргіі, так як час існаваньня віртуальных часьцінак абмежаваны прынцыпам нявызначанасьці:

$t<{\frac {\hbar }{E}}$,

такім чынам чым болей энэргія $E$ віртуальнае часьцінкі, тым меншы час $t$ яна можа існаваць. Таму ў прыродзе могуць існаваць такія палі, як поле Гігса і поле слабога ўзаемадзеяньня, хоць іх часьцінкі вельмі масіўны. Аднак, радыюс дзеяньня масіўных палей абмежаваны. А ў бязмасавых, такіх як электрамагнітнае і гравітацыйнае, час існаваньня віртуальных часьцінак, а, такім чынам, і радыюс дзеяньня, не абмежаваны.

Эфэкты, зьвязаныя з элемэнтарнымі часьцінкамі

Часта наяўнасьцю віртуальных часіцьнак тлумачацца наступныя эфэкты:

• Спантанная эмісыя фатона ў працэсе распада ўзбуджанага атама ці ядра; такі распад немагчым паводле законаў звычайнае квантавае фізыцы і патрабуе квантыфікацыі электрамагнітнага поля для тлумачэньня,
• Эфэкт Казіміра, які заключаецца ва ўзаемнам прыцягненьні ці адштурхоўваньні незараджаных немагнітных целаў пад дзеяньнем квантавых флуктуацый у вакуўме,
• Сіла Ван-дэр-Ваальса (анг. van der Waals force), якая падобна на эфэкт Казіміра, толькі адбываецца паміж двума атамамі,
• Палярызацыя вакуўма, якая ўключае генэрацыю пары часьцінка-антычасьцінка ці «распад вакуўма», як, напрыклад, спантанная генэрацыя электрон-пазытроннае пары,
• Выпраменьваньне Хокінга, якое адбываецца ў моцным гравітацыйным полі, такім, напрыклад, як паблізу чорных дзірак.
• Выпраменьваньне Унру — эфэкт аналягічны выпраменьваньню Хокінга, але які назіраецца пры паскарэньні часьцінак.

Фізычны сэнс

Строга кажучы, віртуальныя часьцінкі — гэта ў большай ступені матэматычная зьява, чым фізычная рэальнасьць. Сапраўды, у квантавай тэорыі поля ў дакладных выразах для працэсаў узаемадзеяньня рэальных часьцінак ніякія віртуальныя часьцінкі не фігуруюць. Калі, аднак, паспрабаваць спрасьціць дакладны выраз у рамках тэорыі абурэньняў, расклаўшы яго ў шэраг па канстанце ўзаемадзеяньня (малому парамэтру тэорыі), то ўзьнікае бясконцы набор складнікаў. Кожны з членаў гэтага шэрагу выглядае так, нібыта ў працэсе ўзаемадзеяньня ўтвараюцца і зьнікаюць аб’екты, якія маюць квантавыя лікі рэальных часьцінак. Аднак гэтыя аб’екты распаўсюджваюцца ў прасторы па закону, адрознаму ад рэальных часьцінак, і таму калі іх трактаваць як выпраменьваньне і паглынаньне часьцінкі, то трэба будзе прыняць, што для іх не выконваецца сувязь паміж энэргіяй і імпульсам. Такім чынам, віртуальныя часьцінкі зьяўляюцца толькі тады, калі мы пэўным чынам спрашчаем зыходны выраз.

Нягледзячы на некаторую фіктыўнасьць тэрміну «віртуальная часьцінка», у шматлікіх выпадках гэта даволі зручны спосаб апісаньня ўзаемадзеяньня. У прыватнасьці, грувасткасьць вылічальных працэсаў рэзка падае, калі папярэдне скласьці правілы нараджэньня, зьнішчэньня і распаўсюджаньня гэтых віртуальных часьцінак (правілы Фэйнмана) і адлюстраваць працэс графічна, з дапамогаю дыяграм Фэйнмана.

Часам, у мэтах нагляднасьці, канцэпцыю «віртуальных часьцінак» тлумачаць інакш. А менавіта, кажуць, што ў працэсе ўзаемадзеяньня закон захаваньня энэргіі выконваецца ня строга, а зь некаторай хібнасьцю. Гэта не супярэчыць квантавай мэханіцы: згодна суадносінам неазначальнасьцей, падзея, якая доўжыцца канчатковы прамежак часу, не дазваляе зафіксаваць энэргію з дакладнасьцю вышэй за некаторы ліміт. Груба кажучы, прамежкавыя часьцінкі «пазычаюць энэргію» на некаторы невялікі час. У гэтым выпадку ў працэсе ўзаемадзеяньня могуць нараджацца і зьнікаць звычайныя часьцінкі, толькі зь невялікім парушэньнем закона захаваньня энэргіі.