Виртуальные частицы есть, или нет?

[Geen]

amon в сообщении #1723710 писал(а):

Geen в сообщении #1723709 писал(а):

Эээ, а как же тогда электрон на электроне рассеивается?

Наблюдаемая величина - сечение рассеяния. Для его расчета можно использовать диаграммные разложения, содержащие эти самые виртуальные частицы, а можно, если повезет, обойтись и без них. Ответ от этого не изменится.

Я имел в виду "не реальные возбуждения" - ЭМ поле то возбуждается...

[zykov]

alesha_popovich в сообщении #1723696 писал(а):

Что же за "теорию всего" тогда физики ищут?

Единую теорию, которая описывала бы все эксперементальные эффекты, которые мы знаем на данный момент (сейчас есть несколько отдельных теорий, каждая в своей области, которые друг с другом не совмещаются - например, как квантовая механика и гравитация).
Никто в своём уме не ожидает, что такая теория опишет вообще всё, даже то что мы не знаем.

[Alex-Yu]

Разница между виртуальными и реальными частицами точно такая же, как между свободными и вынужденными колебаниями. Собственно виртуальные частицы и соответствуют ВЫНУЖДЕННЫМ колебаниям квантового поля. И все, никаких чудес.

-- добавлено через 14 минут --

amon в сообщении #1723689 писал(а):

alesha_popovich в сообщении #1723684 писал(а):

Прав я, или нет?

В целом правы. "Виртуальные частицы" - способ построить разложение в ряд для реально наблюдаемой величины по степеням константы связи (константы, определяющей силу взаимодействия, например, заряда электрона в электродинамике). Отдельные члены такого разложения удобно рисовать на картинках, где линии являются продолжением реальных амплитуд в нефизическую область. Для одной и той же величины можно написать много разных разложений с разными "виртуальными частицами". Поэтому, по моему мнению, "виртуальные частицы" - математический трюк, и в природе их нет.

Вовсе не так. Возьмите теорию поля с чисто квадратичным лагранжианом и добавьте в нее КЛАССИЧЕСКИЙ источник. И будут у Вас вполне виртуальные частицы. Ну просто виртуальнее некуда Если источник не лежит на массовой поверхности.

В ТВ они, конечно, тоже возникают, но это совсем не означает, что они лишь артефакт ТВ.

[alesha_popovich]

Cos(x-pi/2) в сообщении #1723706 писал(а):

Это очень хороший поступок для человека, заинтересовавшегося квантовой теорией. Похвально!)

Благодарю

Cos(x-pi/2) в сообщении #1723706 писал(а):

Тем не менее, советую запастись терпением и прочитать в гл. 8 § 1 "Молекулярный ион водорода", особенно конец с формулой (8.9). Это само по себе интересно, и надо для чтения следующего параграфа, в котором вводится термин "виртуальная частица": гл. 8 § 2 "Ядерные силы".

Спасибо. Но это мощно. Мне явно надо начинать с более ранних параграфов, ибо в этом сходу я мало что понял Попробую продраться.

-- добавлено через 10 секунд --

zykov в сообщении #1723713 писал(а):

Единую теорию, которая описывала бы все эксперементальные эффекты, которые мы знаем на данный момент

Не понимаю. Если теория действительно будет описывать ВСЕ возможные известные экспериментальные эффекты, то почему нельзя сказать, что она абсолютно точно описывает наш мир? А ожидать, что она опишет то, что мы не знаем, это действительно как-то странно в здравом уме ибо в самом таком ожидании содержится противоречие

zykov в сообщении #1723693 писал(а):

Никакой физик не будет ожидать, что какая-то модель полностью абсолютно точно описывает наш мир.

-- добавлено через 2 минуты --

Ghost_of_past в сообщении #1723697 писал(а):

Или вы про то, чем этот спор закончился? Если да, то я вас разочарую: он не закончился и это по-прежнему открытое поле проблематики, хотя в целом пока скорее больше аргументов за реализм, чем за антиреализм.

Типа того. Я так понял реализм - это в нашем примере значит что и реальные и виртуальные частицы существуют в одинаковой степени. Как же тогда быть с упомянутым amon фактом что для одной и той же величины можно написать разные разложения с разными виртуальными частицами - какие из них существуют тогда?

[Ghost_of_past]

alesha_popovich в сообщении #1723728 писал(а):

Я так понял реализм - это в нашем примере значит что и реальные и виртуальные частицы существуют в одинаковой степени.

Если не вдаваться в разные сорта реализма, то по сути да.

alesha_popovich в сообщении #1723728 писал(а):

Как же тогда быть с упомянутым amon фактом что для одной и той же величины можно написать разные разложения с разными виртуальными частицами - какие из них существуют тогда?

Ну я не физик, а здесь лучше спрашиваться именно у них, но, думаю, что это можно проинтерпретировать таким образом: реализм не обязан означать уникальность описания. К примеру, в классической механике можно переписать те же уравнения через разные обобщённые координаты, и все они реально описывают одну и ту же систему. Насколько я понимаю, математические преобразования и смена разложений отражают лишь разные перспективы на тот же процесс. Если где-то ошибаюсь, то пусть уважаемый amon или другие компетентные участники меня поправят.

[Cos(x-pi/2)]

Alex-Yu в сообщении #1723725 писал(а):

Возьмите теорию поля с чисто квадратичным лагранжианом и добавьте в нее КЛАССИЧЕСКИЙ источник. И будут у Вас вполне виртуальные частицы.

Это утверждение трудно понять, пока не указано, где и как они "будут"? В окончательном выражении или хотя бы по ходу вычислений какой конкретно величины? Поясните, пожалуйста, если у Вас для этого найдётся время и желание.

Например, амплитуда перехода "вакуум в вакуум" (а через неё и любые другие амплитуды вероятности вычисляются) имеет вид экспоненты с квадратичным по источнику интегралом в показателе, никаких виртуальных частиц напрямую в ней не видно. Если же раскладывать её по степеням источника, то да, - членам разложения сопоставятся диаграммы с виртуальными частицами (с квантами вынужденных колебаний поля, как Вы и говорите) между "вершинами", изображающими моды источника с частотами не на массовой поверхности. Так об этом речь и была: виртуальные частицы есть в ТВ, наглядно это линии, соединяющие вершины в диаграммах; а без вершин им неоткуда взяться.

[amon]

Ghost_of_past в сообщении #1723734 писал(а):

Насколько я понимаю, математические преобразования и смена разложений отражают лишь разные перспективы на тот же процесс.

Я в философии не силен, и отношусь к ней с большим скепсисом. Моя рабоче-крестьянская точка зрения. С точки зрения физики существует то, что можно измерить в воспроизводимом (в широком смысле) эксперименте. Это существенно сужает круг явлений, являющихся предметом изучения этой науки. Есть математический аппарат, позволяющий предсказывать результаты таких измерений. При построении такого аппарата иногда приходится вводить неизмеримые объекты. Типичный пример - волновая функция (вектор состояний) в квантовой механике. Существовать в смысле "могу измерить" она не может, но все попытки обойтись измеримыми величинами при построении квантовой механики до сих пор к успеху не привели. IMHO, виртуальные частицы относятся к таким, принципиально неизмеримым, объектам, без которых лучше было бы обойтись, но не всегда получается. Более того, существует некоторое количество игрушечных моделей, в которых попытка решить задачу с их помощью приводит к неверному результату, хотя без них модель точно решается. С моей точки зрения модель "электрон окружен облаком виртуальных частиц, определяющим его наблюдаемые свойства" ничего не добавляет к пониманию природы вещей, а во многих случаях только запутывает.

[Alex-Yu]

Cos(x-pi/2) в сообщении #1723736 писал(а):

Например, амплитуда перехода "вакуум в вакуум" (а через неё и любые другие амплитуды вероятности вычисляются) имеет вид экспоненты с квадратичным по источнику интегралом в показателе, никаких виртуальных частиц напрямую в ней не видно.

Так в этом выражении и поля никакого нет. Ибо по полю уже все отинтегрировано. Но совсем не обязательно делать так. Можно и по другому: вычислить среднее значение поля в присутствии источника. Сразу непосредственно вычислить, а не дифференцировать производящий функционал (кстати, дифференцирование производящего функционала это ну никак не ТВ, никакого (!) отношения к ТВ это не имеет). Более того, можно вообще вычислить состояние поля, возникающее под действием источника. Это будет когерентное состояние (глауберовское). Которое есть суперпозиция фоковских состояний (состояний с определенным числом частиц, виртуальных частиц, если источник не на массовой поверхности). При этом никакой ТВ нет. А зачем ТВ в случае квадратичного лагранжиана? С таким лагранжианом все считается просто "в лоб" без какой-либо ТВ. В конце-концов поле с квадратичным лагранжианом это просто набор гармонических осцилляторов. А для гармонических осцилляторов ТВ просто ни к чему. Гармонический осциллятор -- это слишком просто для того, чтобы ТВ применять

Виртуальные частицы это просто частицы не лежащие на массовой поверхности (т.е. для них не выполняется обычное соотношение между импульсом и энергией). Ничего нереального в таких частицах нет.

-- добавлено через 43 минуты --

amon в сообщении #1723744 писал(а):

виртуальные частицы относятся к таким, принципиально неизмеримым, объектам,

Вблизи любой передающей радиостанции имеется ближнее поле, которое вполне наблюдаемое (измеримое) и при этом, с квантовой точки зрения, ничто иное, как совокупность виртуальных фотонов. Лучше, пожалуй, сказать не совокупность, а суперпозиция виртуальных фотонов. Ибо состояние глауберовское.

[Ghost_of_past]

amon в сообщении #1723744 писал(а):

С точки зрения физики существует то, что можно измерить в воспроизводимом (в широком смысле) эксперименте

Если брать точку зрения чисто инструментально-методологическую, то да, это во всех эмпирических науках так (абстрактных наук спор реализма и антиреализма касается иным образом). Собственно говоря, исторически антиреализм назывался инструментализмом.

Проблема, из которой как раз возник спор реализма и антиреализма, состоит в том, что хорошо развитые теории часто порождают артефакты или следствия, которые сами по себе воспроизведены/обнаружены/измерены и т.п. быть не могут, но корректность теории вызывает вопросы об объективности существовании этих порождений теорий. Вы привели отличный пример с волновой функцией, туда же из того, что приходит в голову сразу:
- инфляционная мультивселенная, порождаемая теорией вечной хаотической инфляции (на существование инфляции много измеримых указаний, на мультивселенную нет, но те инфляционные модели, что допустимы текущими наблюдениями неизбежно должны приводить к ее существованию),
- атомные орбитали в химии и физике,
- биологические виды (можно ведь сказать, что это абстракция и в природе есть только организмы и популяции)
- факторы корреляции общего интеллекта в психологии,
- социальные классы в социологии,
- концепция полезности в экономике (можем сказать, что полезность отражает реальное психологическое или нейрофизиологическое состояние удовлетворения субъекта, а можем, что просто способ математического описания предпочтений).

Я к тому, что это с виртуальными частицами - не уникальная проблема. Это частный случай общей проблемы теорий и других форм эмпирического научного знания. По итогу, наверное, важно сказать, что спор этот так и не завершен и непонятно, а можно ли его вообще завершить, учитывая расплывчатость понятия "существование"

[Cos(x-pi/2)]

Alex-Yu, спасибо.

Однако, на мой взгляд, по-видимому, имеются лишь различия в предпочтениях разных людей, но нет существенного противостояния точек зрения на виртуальные частицы в смысле "они точно есть" или "их точно нет".

Ведь среднее значение поля в присутствии источника это некоторый функционал, зависящий от источника. С такой точки зрения всё уже и сказано: есть среднее значение поля, а о частицах тут вообще речи нет.

Но, как Вы и говорите, это же самое поле можно записать в виде среднего для операторов поля по когерентному состоянию; оно имеет вид суперпозиции состояний с разным числом частиц. Такая суперпозиция это ряд по степеням фурье-амплитуд источника. Источник возмущает поле (а иначе среднее было бы равно нулю). Ряд ТВ по степеням источника, как бы ни смешно было его строить для гармонических осцилляторов, даёт в итоге именно эту суперпозицию. Частицы появились именно в ней; а называть эту суперпозицию рядом ТВ или нет, это кому как нравится.

В примере с ближним полем передающей антенны всё это ещё нагляднее. Электрическое и магнитное поле вокруг антенны, пусть даже усреднённое с учётом квантовых флуктуаций, есть просто некоторая функция координат и времени. Его можно измерять приборами. При этом никто и ничто не заставляет говорить о фотонах. Но можно вычислять это поле (т.е. напряжённости электрического и магнитного полей) и как среднее по квантовому когерентному состоянию, т.е. по суперпозиции состояний с разным числом фотонов; от этого вычисления виртуальный фотон не становится более осязаемым для приборов.

[zykov]

alesha_popovich в сообщении #1723728 писал(а):

то почему нельзя сказать, что она абсолютно точно описывает наш мир?

А как будете аргументировать такое мнение?
Абсолютно никак. Это невозможно. Так что нет смысла впустую воздух сотрясать.

Вот есть теория. Она хорошо работает в рамках доступных погрешностей.
А если измерить что-то гораздо более точно, на гораздо меньших пространственных масштабах или на гораздо больших энергиях, то вполне возможно, что будут отклонения от этой теории.
Всегда остнется что-то за рамками доступного на данный момент.

[Alex-Yu]

Cos(x-pi/2) в сообщении #1723760 писал(а):

В примере с ближним полем передающей антенны всё это ещё нагляднее. Электрическое и магнитное поле вокруг антенны, пусть даже усреднённое с учётом квантовых флуктуаций, есть просто некоторая функция координат и времени. Его можно измерять приборами. При этом никто и ничто не заставляет говорить о фотонах.

В принципе можно измерить квантовый шум обусловленный именно фотонной структурой поля. Хотя технически это кажется за пределами возможного, но принципиально возможно.

И да, еще. Вот возьмем фотон излученный некой звездой и поглощенной в моем глазу. Он виртуальный или нет? Если нет, то чем он отличается от стандартно называемого виртуальным фотона, излученного при изменении импульса одного электрона и поглощенным другим электроном (рассеяние электронов друг на друге)? В конце концов, в примере со звездой и глазом происходит то же самое: один электрон (в звезде) излучает фотон а другой (в глазу) поглощает. И в чем разница? Да только в количественном отношении: если в примере со звездой и глазом фотон будет далеко от массовой поверхности, то амплитуда процесса будет маленькая-маленькая. А если рассеиваются электроны в коллайдере, то там и далекие от массовой поверхности фотоны дают солидный вклад. Ибо расстояние очень маленькое. И ничего более.

Если говорить, что виртуальные фотоны реально не существуют, то тогда и вообще никаких фотонов не существует, все эти затеи с фотонами лишь артефакт теории возмущений Ну если кому-то так хочется... Ну можно в принципе. Хотя и не кажется разумным.

[eslitak]

Alex-Yu в сообщении #1723725 писал(а):

Не понимаю. Если теория действительно будет описывать ВСЕ возможные известные экспериментальные эффекты, то почему нельзя сказать, что она абсолютно точно описывает наш мир?

Хотя бы потому, что нет чёткого определения понятию: "абсолютно точно описать мир".
И вообще, как тут уже написали, физика занимается не описанием мира, а построением и совершенствованием его моделей, годных для практических расчётов. И соответствие модели всем "известным экспериментальным эффектам" есть показатель не её точности (в описании мира), а именно её годности для расчётов.

Что касается виртуальных частиц - это, ИМХО, способ сделать абстрактную математическую модель мира более осмысляемой. То есть, превратить "стандартную модель" в то, что может поместиться в стандартную человеческую голову. Иначе трудно с этом эффективно оперировать и учить этому студентов, а уж излагать научно-популярно вообще невозможно.

[amon]

Alex-Yu в сообщении #1723751 писал(а):

Вблизи любой передающей радиостанции имеется ближнее поле, которое вполне наблюдаемое (измеримое) и при этом, с квантовой точки зрения, ничто иное, как совокупность виртуальных фотонов.

А это - хороший вопрос. Давайте рассмотрим что-нибудь попроще, но эквивалентное. Пусть я руками двигаю заряженную частицу по заданной траектории $r(t).$ Возникающий от такого движения ток будет тем самым классическим источником. Попробуем проквантовать поле в такой системе. Стандартная процедура квантования предполагает, что я разобью лагранжиан на свободное поле, удовлетворяющее линейному уравнению $\hat K\varphi=0$ (свободные уравнения Максвелла) и взаимодействие $\frac{4\pi}{c}j.$ Пропагатором в таком стандартном подходе будет функция Грина свободного уравнения Максвелла $G(x)=\hat{K}^{-1}$ . При этом появятся виртуальные частицы, поскольку ближнее поле не является решением свободных уравнений.
Вместо этого можно переопределить свободное уравнение, поскольку в такой постановке ток является заданной функцией, и уравнения с источниками остается линейным. Тогда введя $\hat{K}' =\hat K-\frac{4\pi}{c}j$ и новый пропагатор $G'(x,j),$ совпадающий с потенциалами Льенара-Вихерта, мы получим свободную теорию без всяких виртуальных частиц, прекрасно описывающую ближнее поле. Что с этим дальше делать сходу не соображу, поскольку стандартный аппарат КТП плохо приспособлен к описанию систем, не являющихся системами с заданным числом частиц, но от виртуальных частиц мы избавились, все частицы сидят на поверхности масс, т.е. на решениях $\hat{K}' \varphi=0.$

[realeugene]

alesha_popovich в сообщении #1723684 писал(а):

Так вот это объяснение с кучей диаграмм выглядит точно так же. Сами виртуальные процессы принципиально не наблюдаемы, в этом их суть. Получается, мы просто придумали, что если разложить магнитный момент электрона вот в такой вот ряд, считать по таким вот правилам его члены, то получится хороший результат, совпадающий с измерением. И все. Просто ведёт себя электрон так как будто бы его окружает это облако виртуальных частиц. Точно также как звуковая волна ведет себя так, как будто она состоит из более простых волн.

Нюанс в том, что сама логика "реального существования" применима только к классическому миру, в котором одно из двух: или что-то реально существует, или что-то реально не существует, третьего не дано. В квантовом же мире состояния системы образуют векторное пространство. А в векторном пространстве можно сложить любые два вектора и получить третий вектор. В терминах состояний это означает, что возможны также законные состояния квантовой системы, когда что-то одновременно и существует, и не существует. И критерия выбрать наилучший базис векторного пространства просто нет: все базисы одинаково хороши. Выбирают тот, который удобнее для того или иного расчёта.

-- добавлено через 7 минут --

alesha_popovich в сообщении #1723684 писал(а):

что если разложить магнитный момент электрона вот в такой вот ряд, считать по таким вот правилам его члены, то получится хороший результат, совпадающий с измерением

То просто получится решить. А если не разложить, то кроме тривиальных случаев просто не понятно как решить нужные уравнения. Разложения в ряд в теории возмущений это просто техника приближённого расчёта.