Номер 1, страница 304 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 79. Обменная модель ядерного взаимодействия. Глава 12. Физика атомного ядра - номер 1, страница 304.

Условие.

1. Какая частица называется виртуальной?

Решение.

Решение 2.

1. Решение

Виртуальная частица в квантовой теории поля — это условный объект, который возникает в промежуточных состояниях при взаимодействии реальных элементарных частиц. В отличие от реальных (наблюдаемых) частиц, виртуальные частицы существуют очень короткое время и на малых расстояниях. Их существование является следствием принципа неопределенности Гейзенберга для энергии и времени: $ \Delta E \Delta t \ge \frac{\hbar}{2} $. Этот принцип допускает кратковременное "нарушение" закона сохранения энергии на величину $ \Delta E $ в течение времени $ \Delta t $. Чем больше "заимствованная" энергия $ \Delta E $, тем меньше время жизни виртуальной частицы $ \Delta t $.

Главное свойство, отличающее виртуальную частицу от реальной, заключается в том, что для нее не выполняется релятивистское соотношение между энергией $ E $, импульсом $ p $ и массой покоя $ m_0 $. Для реальной частицы это соотношение имеет вид: $ E^2 = (pc)^2 + (m_0c^2)^2 $, где $ c $ — скорость света. Говорят, что реальные частицы находятся "на массовой поверхности" (on-shell). Виртуальные частицы находятся "вне массовой поверхности" (off-shell), и для них $ E^2 \neq (pc)^2 + (m_0c^2)^2 $. Это означает, что их масса может отличаться от массы покоя соответствующей реальной частицы.

Виртуальные частицы играют фундаментальную роль переносчиков взаимодействий. В квантовой электродинамике, например, электромагнитное взаимодействие между двумя заряженными частицами (скажем, двумя электронами) описывается как обмен виртуальными фотонами. Один электрон испускает виртуальный фотон, а другой его поглощает. Этот обмен приводит к изменению импульсов электронов, что мы и воспринимаем как силу отталкивания. Аналогично, сильное взаимодействие между кварками переносится виртуальными глюонами, а слабое — виртуальными W- и Z-бозонами. В диаграммах Фейнмана, которые наглядно представляют взаимодействия частиц, реальным частицам соответствуют внешние линии, а виртуальным — внутренние.

Виртуальные частицы не могут быть непосредственно зарегистрированы детекторами, так как они существуют лишь в промежуточных стадиях процессов и не распространяются на макроскопические расстояния. Их существование подтверждается косвенно, через их наблюдаемые эффекты. Например, предсказанные с их помощью значения сил взаимодействия и вероятностей различных реакций с высокой точностью совпадают с экспериментальными данными. Примерами таких эффектов являются лэмбовский сдвиг и аномальный магнитный момент электрона.

Ответ: Виртуальная частица — это квантовый объект, существующий очень короткое время как переносчик взаимодействия между реальными частицами. Она не подчиняется стандартному соотношению между энергией, импульсом и массой (находится "вне массовой поверхности") и не может быть непосредственно обнаружена, но ее существование, допускаемое принципом неопределенности, подтверждается косвенными эффектами.