Фізики занадто точні, коли використовують математику для повсякденного спілкування. Але як тільки вони перекладають штучні математичні поняття на "природну" мову, виникає сюрреалістична мішанина з розпливчастих та неточних термінів, які ніхто не намагається скомпонувати з реальністю.
Тож читач наукового тексту вимушений самотрансформуватися в незалежного спостерігача. І далі самостійно будувати лагідну для себе конструкцію з багатьох різних значень. Адже те, що поширюються в журналах, популярних статтях і навіть книгах, зазвичай набуває форми неконтрольованих методологічних мутацій. Точніше не скажеш.
Наприклад, термін "віртуальна частинка". Ви спроможні чітко сформулювати, що таке віртуальна частинка і яке вона має відношення до фізики, науки про природу взагалі?
Ось 3 загальновживаних, але нееквівалентних визначення:
- Внутрішня лінія на діаграмі Фейнмана (являє собою набір проміжних квантових станів у сумі, на відміну від зовнішньої лінії, яка генерує частинку, що була безпосередньо виміряна або підготовлена);
- Частинка поза оболонкою (імпульс не відповідає точно тому, що можна було б очікувати для "реальної" частинки тієї ж енергії, пов'язаної з тим же квантовим полем);
- Частинкоподібне збудження, імпульс якого більший, ніж був би можливий для "реальної" частинки того ж поля, враховуючи її енергію.
За першим визначенням, віртуальні частинки - це здебільшого нескладний математичний трюк, оскільки окремі проміжні стани ("віртуальні стани") ніколи насправді не зайняті.
Концепції віртуального переміщення і віртуальної роботи сягають корінням у глибину століть. Вибір терміну "віртуальний", безсумнівно, походить від більш ранніх теорій. Однак віртуальні частинки відрізняються між собою. Ба більше, їх важче зрозуміти.
Мабуть, те, що віртуальні стани з визначення №1 не зайняті, не означає, що вони не можуть бути зайнятими. Це просто означає, що якби один з них став зайнятим, ми б назвали його реальною частинкою.
Таким чином, існують деякі типи віртуальних частинок, які нічим не відрізняються від реальних “посестер”. Ми просто так називаємо їх реальними, бо ми їх вимірюємо. Хоча насправді всі вони віртуальні, - вони не існують доти, поки ми їх не вимірюємо. Хоча коли ми їх вимірюємо, вони перебувають у суперпозиції станів, а не у власному стані оператора.
Тобто реальна частинка - це стан суперпозицій, а віртуальна частинка - це “природний” стан оператора, до отримання значків на екрані.
Щоправда, існують вагомі аргументи на користь того, що проміжні стани не є суто "фізичними" так само як початковий та кінцевий стани.
Якщо ж вам подобається визначення №2 або №3, то виникає зовсім інша ситуація. Ми можемо з упевненістю сказати, що існують принаймні кілька прикладів віртуальних частинок, які можна вважати фізичними. Або, принаймні, настільки ж реальними, на скільки ви сумніваєтесь в їх фізичності.
За визначенням №3, віртуальна частинка - це лише квантова версія класичного явища, відомого як "хвиля, що зникає". Цей тип віртуальної частинки, як правило, дуже недовготривалий... замість того, щоб бути довгоживучою коливальною хвилею, вона являє собою імпульс енергії, що експоненціально згасає.
Що, своєю чергою, тісно пов'язано з квантовим тунелюванням: це такий найпростіший приклад віртуального стану, який проявляється навіть в одночастинковій квантовій механіці. Коли хвильова функція має хвіст, що експоненціально згасає та простягається в "заборонену" область, в межах якої "реальна" частинка з такою ж масою не має достатньо енергії, щоб опинитися на “недозволеній території”.
Інший приклад - віртуальні Z- або W-бозони. Їхні хвильові функції затухають експоненціально, тому що енергії, яка використовується для їх створення, недостатньо для “адекватного” імпульсу, враховуючи передбачувану масу.
Оскільки подібні хвилі були виявлені експериментально, ми можемо з упевненістю сказати, що у віртуальній частинці типу №3 немає нічого, що робить її принципово невимірюваною або нефізичною.
Третій варіант відповідає електродинаміці "ближнього поля", тоді як реальна відповідає наближенню "дальнього поля".
Разом із тим визначення №2 більш змістовне, ніж визначення №3. Всі частинки, які ми вимірюємо в лабораторії, ймовірно, трохи відірвані від оболонки. Ми не можемо виміряти імпульс або енергію частинки з нескінченною точністю, тому вона завжди буде перебувати в дещо розмитій суперпозиції віртуальних станів, навіть якщо ми вимірюємо її з максимальною технологічною точністю.
З цієї причини віртуальні частинки в сенсі №2 можна розглядати за іронією долі як більш реальні та фізичні об'єкти, ніж так звані "реальні" частинки, які сприймаються лише ідеалізованою математичною абстракцією, від якої неможливо відмовитися і яку ніхто насправді ніколи не вимірював у лабораторії.
"Реальні" частинки в цьому сенсі - це те саме, що дельта-функція Дірака в одночастинковій квантовій механіці для реальної фізичної хвильової функції електрона, положення якого щойно виміряли.
Правда і в тому, що існують деякі екзотичні типи віртуальних частинок, які зовсім не є фізичними. Найяскравіший приклад - це примари Фадєєва-Попова. Хоча можна з такою ж впевненістю сказати, що привиди - це не більше ніж математичний трюк. Не тому, що вони віртуальні, а тому, що коли ви обчислюєте, ймовірність їх перебування в певному місці або в певному стані, ймовірність, яку ви отримуєте, завжди виходить від'ємною. А відтак не існує жодної відомої фізичної інтерпретації.
А ще тому, що вони не підкоряються теоремі спінової статистики, яка необхідна для локальної коваріації Лоренца і причинності. Привиди набагато дивніші, ніж середньостатистична віртуальна частинка, і набагато менш реальні.
Найбільш інтуїтивний спосіб, який можна запропонувати в якості пояснення, чому привиди такі корисні у квантовій теорії поля, полягає в тому, що при підсумовуванні всіх проміжних можливостей, замість того, щоб переконатися, що всі розглянуті можливості є взаємозаперечними, легше перерахувати. Інакше кажучи, примари - це зручний спосіб відстежити, відняти через перебір.
Нагадаємо, що за визначенням №3 віртуальні частинки живуть недовго. Чи вірно те ж саме для визначення №1? Безумовно, ні!
Простим прикладом віртуальної частинки в розумінні №1 є фотон, який начебто проходить через ту чи іншу щілину в експерименті з подвійною щілиною. Насправді відбувається не те щоб підтвердження існування реального фотону... Проміжний стан, поки ви його не спостерігаєте, і є сумою віртуальних фотонів, кожен з яких прямує до своєї цілі різними шляхами.
Половина з них проходить через одну щілину, а друга половина - через іншу. Схоже на нереалізовану можливість, ніж на реальність. Але слід визнати, що ці категорії вже не так легко розрізнити, як до відкриття квантової механіки. Бо обрана математична модель опановує найбільш доцільну термінологію.
