仮想粒子

仮想粒子は、通常の粒子のいくつかの特性を示す理論上の過渡粒子であるが、その存在は不確定性原理によって制限されており、仮想粒子は短い時間および空間範囲で真空から自発的に出現することができる。^[1]仮想粒子の概念は、通常の粒子間の相互作用が仮想粒子の交換の観点から説明される量子場理論（QFT）の摂動論で生じる。仮想粒子を含むプロセスは、仮想粒子が内部線で表されるファインマン図と呼ばれる図式的表現で説明することができる。 ^{[2] [3]}

仮想粒子は、エネルギーと運動量を常に保存しますが、対応する通常の粒子と同じ質量を必ずしも運ぶわけではありません。その特性が通常の粒子に近づくほど、仮想粒子の存在時間は長くなります。それらは、粒子散乱やカシミール力など、多くのプロセスの物理学において重要です。量子場の理論では、 2つの電荷間の電磁気反発力や電磁気引力などの力は、電荷間の仮想光子の交換によって生じるものと考えることができます。仮想光子は、電磁相互作用の交換粒子です。

この用語は、世界が「実在粒子」で構成されているという見解を指すという点で、いくぶん曖昧で曖昧に定義されている。「実在粒子」は、基礎となる量子場の励起であると理解するのがよい。仮想粒子も基礎となる場の励起であるが、相互作用の計算に現れるという意味で「一時的」であり、漸近状態や散乱行列のインデックスとして現れることはない。計算における仮想粒子の精度と使用は確立されているが、実験では検出できないため、どのように正確に記述するかは議論の的となっている。^[4]広く使用されているが、仮想粒子は QFT の必須機能ではなく、むしろ数学的な便宜であり、この概念をまったく使用しない 格子場理論によって実証されている。

仮想粒子の概念は量子場理論の摂動論で生まれた。これは、実際の粒子間の相互作用（本質的には力）を仮想粒子の交換によって計算する近似スキームである。このような計算は、 仮想粒子が内部線として現れるファインマン図と呼ばれる図式的表現を使用して実行されることが多い。相互作用を四元運動量qを持つ仮想粒子の交換によって表現すると、q は相互作用頂点に入る粒子と出る粒子の四元運動量の差で与えられるが、ファインマン図の相互作用頂点では運動量とエネルギーの両方が保存される。^{[5] : 119}

仮想粒子はエネルギーと運動量の関係 m ² c ⁴ = E ² − p ² c ²に厳密には従いません。その運動エネルギーは速度と通常の関係を持たない場合があります。負になることがあります。^{[6] : 110 これは、}オフマスシェルというフレーズで表現されます。^{[5] : 119}仮想粒子が存在する確率振幅は、より長い距離と時間にわたる破壊的干渉によって打ち消される傾向があります。結果として、実際の光子は質量がなく、したがって2つの偏光状態しかありませんが、仮想光子は実質的に質量があり、3つの偏光状態を持ちます。

量子トンネル効果は仮想粒子の交換の現れであると考えられる。^{[7] : 235}仮想粒子が運ぶ力の範囲は、エネルギーと時間を共役変数とみなす不確定性原理によって制限される。したがって、質量の大きい仮想粒子ほど範囲が制限される。^[8]

物理学の方程式を通常の数学的表記で記述すると、仮想粒子と実際の粒子を区別するマークはありません。仮想粒子を伴うプロセスの振幅は、仮想粒子を伴わないプロセスの振幅と干渉しますが、実際の粒子の場合、存在する場合と存在しない場合が互いにコヒーレントではなくなり、干渉しなくなります。量子場理論の観点では、実際の粒子は、基礎となる量子場の検出可能な励起として見られます。仮想粒子も基礎となる場の励起として見られますが、検出可能な粒子としてではなく、力としてのみ現れます。それらは、いくつかの計算に現れるが、単一の粒子として検出されないという意味で「一時的」です。したがって、数学的には、それらは散乱行列へのインデックスとして現れることはなく、つまり、モデル化されている物理プロセスの観測可能な入力と出力として現れることはありません。

現代物理学において仮想粒子の概念が現れる主な方法は 2 つあります。それは、ファインマン図の中間項、つまり摂動計算の項として現れることです。また、半非摂動効果の計算において合計または積分される無限の状態集合としても現れます。後者の場合、仮想粒子が効果を媒介するメカニズムに寄与している、または効果が仮想粒子を通じて発生すると言われることがあります。^{[5] : 118}

仮想粒子が関与する相互作用で生じる観測可能な物理現象は数多くあります。自由かつ実際の状態で静止質量を示すボソン粒子の場合、仮想相互作用は粒子交換によって生じる力の相互作用の範囲が比較的短いという特徴があります。閉じ込めによっても、相互作用の範囲が短くなることがあります。このような短距離相互作用の例としては、強い力と弱い力、およびそれらに関連する場のボソンがあります。

重力と電磁力の場合、関連するボソン粒子の静止質量がゼロであるため、仮想粒子によって長距離の力が媒介されます。ただし、光子の場合、仮想粒子による電力と情報の転送は、比較的短距離の現象です (情報または転送された電力を運ぶフィールド擾乱の数波長内にのみ存在します)。これは、たとえば、コイルとアンテナの近接場ゾーンにおける誘導効果と容量効果の特徴的な短距離に見られます。

仮想粒子の観点から見ることができるいくつかのフィールド相互作用は次のとおりです。

• 電荷間のクーロン力（静電気力）。仮想光子の交換によって発生します。対称的な 3 次元空間では、この交換によって電気力の逆二乗則が成立します。光子には質量がないため、クーロン ポテンシャルの範囲は無限です。
• 磁気双極子間の磁場。これは仮想光子の交換によって発生します。対称的な 3 次元空間では、この交換により磁力の逆 3 乗則が成立します。光子には質量がないため、磁気ポテンシャルの範囲は無限です。範囲は無限ですが、仮想光子の存在に許される時間経過は無限ではありません。
• 電磁誘導。この現象は、変化する（電磁）磁場を介して磁気コイルとの間でエネルギーを伝達します。
• クォーク間の強い核力は、仮想グルーオンの相互作用の結果です。クォーク三重項（中性子と陽子）の外側にあるこの力の残余は、中性子と陽子を原子核内に保持しており、パイ中間子やロー中間子などの仮想中間子によるものです。
• 弱い核力は仮想のW ボソンと Z ボソンの交換の結果です。
• 励起された原子または励起された核の崩壊中に光子が自然放出されること。このような崩壊は通常の量子力学では禁止されており、その説明には電磁場の量子化が必要である。
• カシミール効果では、量子化された電磁場の基底状態が電気的に中性な金属板のペアの間に引力を引き起こします。
• ファンデルワールス力は、2 つの原子間のカシミール効果によって部分的に発生します。
• 真空分極は、対生成または真空の崩壊を伴い、粒子-反粒子対（電子-陽電子など）が自発的に生成されます。
• 原子レベルの位置のラムシフト。
• 自由空間のインピーダンスは、電界強度 | E |と磁界強度 | H |の比を定義します：Z ₀ = | E | / | H |。^[9]
• 無線アンテナのいわゆる近傍場の多くは、アンテナ線内の変化する電流の磁気および電気効果と、線の容量電荷の電荷効果が、発生源に近い電磁場全体の重要な要因となる可能性があり (通常はそうである)、その両方の効果は双極子効果であり、発生源から「遠く」にある「従来の」電磁波の影響よりもはるかに速くアンテナからの距離が増加するにつれて減衰します。^[a]これらの遠距離場波 ( Eは (長距離の限界で) cBに等しい) は、実際の光子で構成されています。実際の光子と仮想光子はアンテナの近くで混合され、仮想光子は「余分な」磁気誘導効果と過渡的な電気双極子効果のみを引き起こし、これがEとcBの間の不均衡を引き起こします。アンテナからの距離が増加するにつれて、近傍場効果 (双極子場として) はより速く消滅し、実際の光子による「放射」効果のみが重要な効果として残ります。仮想効果は無限に広がるが、実際の光子で構成される電磁波の場が1 / rに減少するのとは異なり、その場の強度は1/ r ²に減少する。^{[b] [c]}

これらのほとんどは固体物理学でも類似の効果を持っています。実際、これらの事例を調べることで、より直感的な理解が得られることがよくあります。半導体では、場の理論における電子、陽電子、光子の役割は、伝導帯の電子、価電子帯の正孔、および結晶格子のフォノンまたは振動に置き換えられます。仮想粒子は、確率振幅が保存されない仮想状態にあります。トンネル過程の場合の巨視的な仮想フォノン、光子、電子の例は、 Günter Nimtz ^[10]と Alfons A. Stahlhofen ^[11]によって提示されました。

理論素粒子物理学における散乱振幅の計算には、多数の変数に対するかなり大きく複雑な積分を使用する必要があります。ただし、これらの積分は規則的な構造を持ち、ファインマン図として表すことができます。ファインマン図の魅力は大きく、そうでなければかなり難解で抽象的な式を視覚的に簡単に表現できるからです。特に、ファインマン図の外側の脚を実際のオンシェル粒子に関連付けることができるのが魅力の 1 つです。したがって、図の他の線も「仮想粒子」と呼ばれる粒子に関連付けるのが自然です。数学的には、それらは図に現れる プロパゲーターに対応します。

隣の図では、実線は実際の粒子（運動量 p ₁など）に対応し、点線は運動量 k を持つ仮想粒子に対応します。たとえば、実線が電磁相互作用によって相互作用する電子に対応する場合、点線は仮想光子の交換に対応します。相互作用する核子の場合、点線は仮想パイ中間子になります。強い力によって相互作用するクォークの場合、点線は仮想グルーオンになります。

仮想粒子は、上記の例のように中間子またはベクトルボソンである場合があり、フェルミオンである場合もあります。ただし、量子数を保存するため、フェルミオン交換を含むほとんどの単純な図は禁止されています。右の図は、許可されている図、つまり1 ループ図を示しています。実線はフェルミオンのプロパゲーターに対応し、波線はボソンに対応します。

形式的には、粒子は粒子数演算子a ^† aの固有状態であると考えられる。ここで、 aは粒子消滅演算子、a ^†は粒子生成演算子である（まとめてラダー演算子と呼ばれることもある）。多くの場合、粒子数演算子はシステムのハミルトニアンと可換ではない。これは、空間領域内の粒子の数が明確に定義された量ではなく、他の量子観測量と同様に、確率分布で表されることを意味する。これらの粒子は存在するかどうかが確実ではないため、仮想粒子または真空エネルギーの真空変動と呼ばれる。ある意味では、真空における時間エネルギー不確定性原理の現れであると理解できる。 ^[12]

真空中の仮想粒子の「存在」の重要な例として、カシミール効果が挙げられる。^[13]ここで、この効果を説明するには、真空中のすべての仮想粒子の全エネルギーを加算する必要がある。したがって、仮想粒子自体は実験室で直接観察することはできないが、観察可能な効果を残す。つまり、そのゼロ点エネルギーは、適切に配置された金属板または誘電体に作用する力となる。^[14] 一方、カシミール効果は、相対論的なファンデルワールス力として解釈することができる。^[15]

仮想粒子は、粒子と 反粒子のペアで存在するとよく言われます。反粒子はどのような種類でもかまいません。これらのペアは極めて短い時間存在し、その後相互に消滅します。または、場合によっては、外部エネルギーを使用してペアを分離し、消滅を回避して実際の粒子になることもあります。これについては以下で説明します。

これは 2 つの方法のいずれかで発生します。加速している基準系では、加速している観測者には仮想粒子が実際の粒子のように見えることがあります。これはウンルー効果として知られています。簡単に言うと、静止系の真空は、加速している観測者には、熱力学的平衡にある実際の粒子の温かいガスのように見えます。

もう 1 つの例は、非常に強い電場での電子対生成で、真空崩壊と呼ばれることもあります。たとえば、原子核のペアが結合して、電荷が約 140 より大きい (つまり、無次元量である微細構造定数の逆数より大きい) 原子核を非常に短時間形成すると、電場の強さによって、真空またはディラックの海から陽電子と電子のペアが生成され、電子が原子核に引き寄せられて正電荷が消滅するのにエネルギー的に有利になります^{[さらなる説明が必要]} 。この電子対生成の振幅は、1951 年に Julian Schwingerによって初めて計算されました。

量子力学的な不確定性のため、限られた時間または限られた体積で存在する物体またはプロセスは、正確に定義されたエネルギーまたは運動量を持つことはできません。このため、通常の粒子間で交換されるときに一時的にのみ存在する仮想粒子は、通常、質量殻関係に従わず、仮想粒子が存在する時間が長くなるほど、エネルギーと運動量は質量殻関係に近づきます。

実粒子の寿命は、通常、仮想粒子の寿命よりもはるかに長い。電磁放射は、放出体と吸収体の間を光年単位で移動する実光子で構成されるが、（クーロン）静電引力と反発力は、仮想光子の交換の結果生じる比較的短距離の^力で ある^{[疑わしい-議論が必要] 。}

• 仮想粒子は本当に絶えず現れたり消えたりしているのだろうか？ – ミシガン大学アナーバー校理論物理学センター所長ゴードン・ケイン氏が、サイエンティフィック・アメリカンのウェブサイトで答えを提示している。
• 仮想粒子とは何か?
• D Kaiser (2005) American Scientist 93 p. 156 人気記事