가상 입자

Virtual particle
반대입자와 혼동하지 말 것.
관련 기사는 양자 진공(명료화)을 참조하십시오.

가상 입자는 양자 요동으로 알려진 일시적인 과학 이론으로, 일반 입자의 일부 특성을 나타내며, 그 존재는 불확실성 [vague]원리에 의해 제한된다.가상 입자의 개념은 일반 입자 간의 상호작용을 가상 입자의 교환의 관점에서 설명하는 양자장 이론의 섭동 이론에서 발생한다.가상 입자를 포함하는 과정은 파인만 다이어그램으로 알려진 도식적 표현에 의해 설명될 수 있으며, 여기서 가상 입자는 내부 [1][2]라인으로 표현된다.

가상 입자는 항상 에너지와 운동량을 보존하지만 반드시 대응하는 실제 입자와 같은 질량을 갖는 것은 아닙니다.그 특성이 일반 입자에 가까울수록 가상 입자는 더 오래 존재합니다.그것들은 입자 산란과 카시미르 힘을 포함한 많은 과정의 물리학에서 중요하다.양자장 이론에서, 두 전하 사이의 전자기 반발이나 흡인력과 같은 힘은 전하 사이의 가상 광자의 교환에 기인한다고 생각할 수 있다.가상 광자는 전자기 상호작용을 위한 교환 입자입니다.

이 용어는 세계가 "진짜 입자"로 이루어져 있다는 관점을 의미하기 때문에 다소 느슨하고 모호하게 정의되어 있다.그것은 아니다."실제 입자"는 기초 양자장의 들뜸으로 더 잘 이해됩니다.가상 입자는 기본 필드의 들뜸이기도 하지만 상호작용의 계산에서 나타난다는 점에서 "일시적"이지만 산란 행렬의 점근 상태나 지표로서 나타나는 것은 아니다.계산에서의 가상 입자의 정확성과 용도는 확실히 확립되어 있지만, 실험에서는 검출할 수 없기 때문에, 그것을 어떻게 정확하게 기술할지를 결정하는 것은 [3]논쟁의 대상이다.널리 사용되기는 하지만, 그것들은 QFT의 필수적인 특징이 아니라 오히려 수학적인 편리함이다 - 격자장 이론에서 증명되었듯이 - 개념의 사용을 모두 회피한다.

특성.

가상 입자의 개념은 실제 입자들 사이의 상호작용 (본질적으로, 힘)이 가상 입자의 교환 관점에서 계산되는 근사 체계인 양자장 이론의 섭동 이론에서 발생한다.이러한 계산은 종종 파인만 다이어그램으로 알려진 도식 표현을 사용하여 수행되는데, 이 도식에서는 가상 입자가 내부 선으로 나타납니다.상호작용 정점에 출입하는 입자의 4모멘타 차이로 q가 주어지는 4모멘텀 q와의 가상입자 교환의 관점에서 표현함으로써 파인만 [4]: 119 다이어그램의 상호작용 정점에서 운동량과 에너지를 모두 보존한다.

가상 입자는 에너지-입자 관계24 mc = E2 - pc를22 정확히 따르지 않는다.그것의 운동 에너지는 속도와 일반적인 관계가 없을 수 있다.부정적일 [5]: 110 수 있습니다.이것은 off mass [4]: 119 shell이라는 문구로 표현됩니다.가상 입자가 존재할 확률 진폭은 더 긴 거리와 시간에 걸친 파괴적 간섭에 의해 상쇄되는 경향이 있습니다.그 결과, 실제 광자는 질량이 없기 때문에 2개의 편광 상태만을 가지고 있는 반면, 실질적으로 질량이 큰 가상 광자는 3개의 편광 상태를 가지고 있다.

양자 터널링은 가상 입자 [6]: 235 교환의 현상으로 간주될 수 있습니다.가상 입자에 의해 전달되는 힘의 범위는 에너지와 시간을 켤레 변수로 간주하는 불확도 원리에 의해 제한된다. 따라서 더 큰 질량의 가상 입자는 더 제한된 범위를 [7]갖는다.

일반적인 수학 표기법이나 물리 방정식에서는 가상 입자와 실제 입자의 차이를 알 수 없습니다.가상 입자가 있는 프로세스의 진폭은 가상 입자가 없는 프로세스의 진폭을 간섭하는 반면, 실제 입자의 경우 존재하는 경우와 존재하지 않는 경우가 서로 일관성을 잃고 더 이상 간섭하지 않습니다.양자장 이론의 관점에서 실제 입자는 기초 양자장의 검출 가능한 들뜸으로 간주된다.가상 파티클은 기본 필드의 들뜸으로도 간주되지만 검출 가능한 파티클이 아닌 힘으로만 나타납니다.이러한 입자는 일부 계산에서 나타나는 "일시적"이지만 단일 입자로는 검출되지 않습니다.따라서, 수학적인 측면에서, 그것들은 결코 산란 행렬의 지표로 나타나지 않는다. 즉, 그것들은 모델링되는 물리적 과정의 관측 가능한 입력과 출력으로 나타나지 않는다.

현대 물리학에서 가상 입자의 개념이 나타나는 데는 두 가지 주요 방법이 있습니다.이들은 파인만 다이어그램에서 중간항, 즉 섭동 계산에서 항으로 나타납니다.이들은 또한 반비교란 효과 계산에 합산되거나 통합되는 무한 상태의 집합으로 나타납니다.후자의 경우, 가상 입자가 효과를 매개하는 메커니즘에 기여하거나 가상 [4]: 118 입자를 통해 효과가 발생하는 경우가 있다.

매니페이션

가상 입자와 관련된 상호작용에서 발생하는 많은 관찰 가능한 물리적 현상이 있습니다.자유롭고 실제일 때 정지질량을 보이는 보손입자의 경우, 가상상호작용은 입자교환에 의해 생성되는 힘의 상호작용 범위가 상대적으로 짧은 것이 특징이다.감금도 짧은 범위로 이어질 수 있습니다.그러한 단거리 상호작용의 예로는 강력과 약력, 그리고 그와 관련된 필드 보손이 있다.

중력 및 전자력에 대해, 연관된 보손 입자의 0 정지 질량은 가상 입자에 의해 장거리에 있는 힘을 매개할 수 있게 한다.단, 광자의 경우, 가상 입자에 의한 전력 및 정보 전달은 비교적 단거리 현상(정보 또는 전달된 전력을 운반하는 필드 교란의 몇 파장 이내에만 존재함)이며, 예를 들어 가까운 fi의 유도 및 용량적 효과의 특징적인 짧은 범위에서 볼 수 있다.코일 및 안테나의 엘드 존.

가상 파티클의 관점에서 볼 수 있는 필드 상호작용은 다음과 같습니다.

  • 전하 사이의 쿨롱력(정전기력)입니다.이는 가상 광자의 교환에 의해 발생합니다.대칭적인 3차원 공간에서 이 교환은 전기력에 대한 역제곱 법칙을 낳는다.광자는 질량이 없기 때문에 쿨롱 전위는 무한한 범위를 가진다.
  • 자기 쌍극자 사이의 자기장.이는 가상 광자의 교환에 의해 발생합니다.대칭적인 3차원 공간에서, 이 교환은 자력에 대한 역입방체 법칙을 낳습니다.광자는 질량이 없기 때문에 자기 전위는 무한대입니다.
  • 전자기 유도.이 현상은 변화하는 자기장을 통해 자기 코일과 에너지를 주고 받습니다.
  • 쿼크 사이의 강력한 핵력은 가상 글루온의 상호작용의 결과입니다.쿼크 3중성자(중성자와 양성자) 이외의 이 힘의 잔차는 중성자와 양성자를 핵에서 함께 고정시키며, 파이 중간자와 로 중간자와 같은 가상 중간자에 기인한다.
  • 약한 핵력은 가상 W와 Z 보손에 의한 교환의 결과이다.
  • 들뜬 원자 또는 들뜬 핵의 붕괴 중에 광자가 자발적으로 방출되는 것. 이러한 붕괴는 일반적인 양자역학에서 금지되며, 그 설명을 위해 전자장의 양자화가 필요합니다.
  • 카시미르 효과: 양자화된 전자장의 접지 상태가 한 쌍의 전기 중성 금속판 사이에 흡인을 일으킵니다.
  • 반데르발스 힘은 부분적으로 두 원자 사이의 카시미르 효과에 기인한다.
  • 진공 분극 - 쌍생성 또는 진공의 붕괴를 수반하는 입자-반입자 쌍(전자-양전자 등)의 자발적 생성입니다.
  • 원자 수준의 위치 양 이동.
  • 그 임피던스 자유 공간의 전계 강도 E와 자기장 강도 H:Z0 사이의 비율을 정의합니다).mw-parser-output .frac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.frac.num,.mw-parser-output.frac .den{:80%;line-height:0;vertical-align:슈퍼 font-size}.mw-parser-output.frac .den{.Vertical-align:서브}.mw-parser-output .sr-only{국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}E⁄ H.[8].
  • 이른바 무선 안테나의 근접장(near-field)의 대부분은 안테나 와이어의 변화하는 전류와 와이어의 용량성 전하의 전하 효과의 자기 및 전기적 영향이 소스에 가까운 총 전자파장에 중요한 영향을 미칠 수 있지만(또한 보통), 이 두 가지 효과는 모두 증가에 따라 감쇠하는 다이폴 효과입니다.소스로부터 [a]"멀리" 있는 "기존" 전자파의 영향보다 안테나로부터의 거리가 훨씬 더 빠르다.E가 (장거리 한계) cB와 동일한 이 원거리 파장은 실제 광자로 구성됩니다.실제 광자와 가상 광자는 안테나 근처에서 혼합되며, 가상 광자는 E와 cB 사이의 불균형을 일으키는 "초" 자기 유도 및 과도 전기 다이폴 효과만을 담당한다.안테나로부터의 거리가 커짐에 따라 (쌍극자장과 같이) 근접장 효과는 더 빨리 소멸되고, 실제 광자에 기인하는 "방사성" 효과만 중요한 효과로 남는다.가상 효과는 무한대까지 확장되지만, 실제 광자로 구성된 전자파장이 아닌 [b][c]1µr의2 전계 강도로 감소합니다.

이들 대부분은 고체물리학에서 유사한 효과를 가지고 있다.실제로, 이러한 경우를 조사함으로써 보다 직관적인 이해를 얻을 수 있는 경우가 많다.반도체에서 전계 이론에서 전자, 양전자 및 광자의 역할은 전도 대역의 전자, 원자가 대역의 구멍, 결정 격자의 포논 또는 진동으로 대체된다.가상 입자는 확률 진폭이 보존되지 않는 가상 상태에 있습니다.터널링 프로세스의 경우 거시적 가상 포논, 광자 및 전자의 예는 귄터[9] 님츠와 알폰스 A에 의해 제시되었다.스탈호펜.[10]

파인만 도표

단일 입자 교환 산란도

이론 입자 물리학에서 산란 진폭의 계산은 많은 변수에 걸쳐 다소 크고 복잡한 적분을 사용해야 합니다.그러나 이러한 적분은 규칙적인 구조를 가지며 파인만 다이어그램으로 나타낼 수 있습니다.파인만 다이어그램의 매력은 강력하며, 그렇지 않으면 다소 난해하고 추상적인 공식일 수 있는 단순한 시각적 표현을 가능하게 합니다.특히 파인만 다이어그램의 나가는 다리는 실제 껍질 입자와 연관될 수 있다는 점이 매력의 일부입니다.따라서 다이어그램의 다른 선들도 "가상 입자"라고 불리는 입자와 연관지을 수 있습니다.수학적인 용어로, 이들은 다이어그램에 나타나는 전파자에 해당합니다.

인접한 화상에서 실선은 실제 입자(운동량1 p 등)에 대응하고, 점선은 운동량 k를 운반하는 가상 입자에 대응한다.예를 들어, 만약 실선이 전자기 상호작용에 의해 상호작용하는 전자에 대응한다면, 점선은 가상 광자의 교환에 대응하게 될 것이다.상호작용하는 핵자의 경우, 점선은 가상의 파이온이 될 것이다.쿼크가 강한 힘에 의해 상호작용하는 경우 점선은 가상 글루온 등이 됩니다.

페르미온 전파기가 있는 원루프 다이어그램

가상 입자는 위의 예시와 같이 중간자 또는 벡터 보손일 수 있으며 페르미온일 수도 있습니다.그러나 양자수를 보존하기 위해 페르미온 교환을 수반하는 대부분의 간단한 도표는 금지된다.오른쪽 이미지는 허용되는 다이어그램(단일 루프 다이어그램)입니다.실선은 페르미온 전파기에 해당하고 물결선은 보손에 해당합니다.

진공 청소기

주요 기사:양자 변동, QED 진공, QCD 진공 및 진공 상태

형식적으로 입자는 입자수 연산자† aa의 고유상태로 간주되며, 여기서 a는 입자 소멸 연산자 및† 입자 생성 연산자(통칭하여 래더 연산자라고도 함)이다.많은 경우 파티클 번호 연산자는 시스템의 해밀턴과 함께 이동하지 않습니다.이는 공간의 영역에 있는 입자의 수가 명확하게 정의된 양은 아니지만 다른 양자 관측 가능과 마찬가지로 확률 분포로 표현된다는 것을 의미합니다.이러한 입자들이 존재한다고 확신하지 않기 때문에, 그것들은 가상 입자 또는 진공 에너지의 진공 변동이라고 불립니다.어떤 의미에서는 진공 [11]상태에서의 시간 에너지 불확실성 원리의 발현으로 이해될 수 있다.

진공에서 가상 입자의 "존재"의 중요한 예는 카시미르 [12]효과입니다.여기서 효과를 설명하려면 진공 내 모든 가상 입자의 총 에너지를 합산할 수 있어야 합니다.따라서 가상 입자 자체는 실험실에서 직접 관찰할 수 없지만 다음과 같은 효과를 남깁니다.이들의 제로점 에너지는 적절히 배열된 금속판 또는 [13]유전체에 작용하는 힘을 발생시킵니다.반면에 카시미르 효과는 상대론적 반데르발스 [14]힘으로 해석될 수 있다.

쌍생성

주요 기사: 페어 프로덕션

가상 입자는 흔히 쌍으로 나타나며, 어떤 종류의 입자든 될 수 있는 입자 및 반입자로 묘사됩니다.이들 쌍은 극히 짧은 시간 동안 존재하다가 상호 소멸되거나, 경우에 따라서는 외부 에너지를 사용하여 쌍이 상승하여 소멸을 방지하고 다음과 같이 실제 입자가 될 수 있습니다.

이는 두 가지 방법 중 하나로 발생할 수 있습니다.가속 기준 프레임에서 가상 입자는 가속 관찰자에게 실제처럼 보일 수 있습니다. 이를 언루 효과라고 합니다.즉, 정지 프레임의 진공은 가속된 관찰자에게 열역학적 평형에 있는 실제 입자의 따뜻한 기체로 보입니다.

또 다른 예는 진공 붕괴라고 불리는 매우 강한 전기장에서의 쌍생성입니다.예를 들어, 만일 원자 핵 한켤레를 매우 간단하게로 약 140보다 커질수록 핵을 형성할 병합됩니다,(즉, fine-structure 상수의 무한한 양은 역에 대해보다 크다), 전기 분야의 강점은 그것이 활기 차게 cr에 favorable[추가 설명이 필요했다] 것과 같다.eate positron–electron 한쌍s는 진공 또는 Dirac 바다 밖으로 나와 전자가 핵에 이끌려 양전하를 전멸시킨다.이 쌍 생성 진폭은 1951년 Julian Schwinger에 의해 처음 계산되었습니다.

실제 입자와 비교

양자역학적 불확실성의 결과로 제한된 시간 또는 제한된 부피로 존재하는 물체나 과정은 정확하게 정의된 에너지 또는 운동량을 가질 수 없습니다.이러한 이유로, 가상 입자는 보통 입자 간에 교환될 때 일시적으로만 존재하며, 일반적으로 질량 껍질 관계에 따르지 않습니다. 가상 입자가 오래 존재할수록 에너지와 운동량이 질량 껍질 관계에 더 많이 접근합니다.

실제 입자의 수명은 일반적으로 가상 입자의 수명보다 훨씬 더 깁니다.전자기 복사는 이미터와 흡수체 사이를 광년 동안 이동할 수 있는 실제 광자로 구성되지만, (쿨롬빅) 정전기 흡인력과 반발력은 가상[citation needed] 광자의 교환의 결과인 비교적 단거리 힘입니다.

「 」를 참조해 주세요.

각주

  1. ^ 파장에 대한 안테나 길이 또는 직경의 비율에 관한 "원거리"
  2. ^ 현장의 전력은 각각 1µr4, 1µr로2 감소합니다.
  3. ^ 자세한 내용은 근거리 및 원거리 필드를 참조하십시오.근거리 통신의 실용적인 적용에 대해서는 근거리 통신을 참조하십시오.

레퍼런스

  1. ^ 페스킨, 검시관 슈로더, D.V.(1995년)양자장론 소개, Westview Press, ISBN0-201-50397-2, 페이지 80.
  2. ^ Mandl, F., Shaw, G.(1984/2002)Quantum Field Theory, John Wiley & Sons, Chicher UK, 개정판, ISBN 0-471-94186-7, 페이지 56, 176.
  3. ^ Jaeger, Gregg (2019). "Are virtual particles less real?" (PDF). Entropy. 21 (2): 141. Bibcode:2019Entrp..21..141J. doi:10.3390/e21020141. PMC 7514619.
  4. ^ a b c Thomson, Mark (2013). Modern particle physics. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-1107034266.
  5. ^ Hawking, Stephen (1998). A brief history of time (Updated and expanded tenth anniversary ed.). New York: Bantam Books. ISBN 9780553896923.
  6. ^ Walters, Tony Hey ; Patrick (2004). The new quantum universe. The New Quantum Universe (Reprint. ed.). Cambridge [u.a.]: Cambridge Univ. Press. Bibcode:2003nqu..book.....H. ISBN 9780521564571.
  7. ^ Calle, Carlos I. (2010). Superstrings and other things : a guide to physics (2nd ed.). Boca Raton: CRC Press/Taylor & Francis. pp. 443–444. ISBN 9781439810743.
  8. ^ "Ephemeral vacuum particles induce speed-of-light fluctuations". Phys.org. Retrieved 2017-07-24.
  9. ^ Nimtz, G. (2009). "On virtual phonons, photons, and electrons". Found. Phys. 39 (12): 1346–1355. arXiv:0907.1611. Bibcode:2009FoPh...39.1346N. doi:10.1007/s10701-009-9356-z. S2CID 118594121.
  10. ^ Stahlhofen, A.; Nimtz, G. (2006). "Evanescent modes are virtual photons". Europhys. Lett. 76 (2): 198. Bibcode:2006EL.....76..189S. doi:10.1209/epl/i2006-10271-9.
  11. ^ Raymond, David J. (2012). A radically modern approach to introductory physics: volume 2: four forces. Socorro, NM: New Mexico Tech Press. pp. 252–254. ISBN 978-0-98303-946-4.
  12. ^ Choi, Charles Q. (13 February 2013). "A vacuum can yield flashes of light". Nature. doi:10.1038/nature.2013.12430. S2CID 124394711. Retrieved 2 August 2015.
  13. ^ Lambrecht, Astrid (September 2002). "The Casimir effect: a force from nothing". Physics World. 15 (9): 29–32. doi:10.1088/2058-7058/15/9/29.
  14. ^ Jaffe, R. L. (12 July 2005). "Casimir effect and the quantum vacuum". Physical Review D. 72 (2): 021301. arXiv:hep-th/0503158. Bibcode:2005PhRvD..72b1301J. doi:10.1103/PhysRevD.72.021301. S2CID 13171179.

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