Виртуальная частица — некоторый абстрактный объект в квантовой теории поля, обладающий квантовыми числами одной из реальных элементарных частиц (с массой ), для которого, однако, не выполняется обычная связь между энергией и импульсом (то есть ). Виртуальные частицы не могут «улететь на бесконечность»; они рождаются и обязаны либо поглотиться какой-либо частицей, либо распасться. Можно сказать, что виртуальные частицы — это и есть то, как происходит взаимодействие.
Виртуальность частицы характеризуется релятивистски-инвариантной величиной , причём может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Область значений E и p, при которых виртуальность равна нулю, называется массовой поверхностью или массовой оболочкой частицы.
Хотя масса и энергия виртуальных частиц не ограничены, их существование не нарушает закон сохранения энергии, поскольку время существования виртуальных частиц ограничено принципом неопределённости:
,
то есть чем больше энергия виртуальной частицы, тем меньшее время она может существовать. Поэтому в природе могут существовать такие поля, как поле Хиггса и поле слабого взаимодействия, хотя их частицы очень массивны. Однако, радиус действия массивных полей ограничен. Напротив, у безмассовых полей, таких как электромагнитное и гравитационное, время существования виртуальных частиц, а следовательно, и радиус действия, не ограничены.
Часто наличием виртуальных частиц объясняются следующие эффекты:
Виртуальные частицы — это в большей степени математическое явление, чем физическая реальность. Действительно, в квантовой теории поля в точных выражениях для процессов взаимодействия реальных частиц никакие виртуальные частицы не фигурируют. Если же, однако, попытаться упростить точное выражение в рамках теории возмущений, разложив его в ряд по константе взаимодействия (малому параметру теории), то возникает бесконечный набор слагаемых. Каждый из членов этого ряда выглядит так, словно в процессе взаимодействия порождаются и исчезают объекты, обладающие квантовыми числами реальных частиц. Однако эти объекты распространяются в пространстве по закону, отличному от реальных частиц, и поэтому если их трактовать как испускание и поглощение частицы, то придётся принять, что для них не выполняется связь между энергией и импульсом. Таким образом, виртуальные частицы появляются только тогда, когда мы определённым образом упрощаем исходное выражение.
Впрочем, несмотря на некоторую фиктивность понятия «виртуальная частица», во многих случаях это крайне удобный язык для описания взаимодействия. В частности, громоздкость вычисления процессов резко снижается, если предварительно составить правила рождения, уничтожения и распространения этих виртуальных частиц (правила Фейнмана) и изобразить процесс графически, с помощью фейнмановских диаграмм.
Иногда, в целях наглядности, концепцию «виртуальных частиц» поясняют несколько иначе. А именно, говорят, что в процессе взаимодействия закон сохранения энергии выполняется с некоторой погрешностью. Это не противоречит квантовой механике: согласно соотношению неопределённостей, событие, длящееся конечный промежуток времени, не позволяет зафиксировать энергию с точностью выше некоторого предела. Грубо говоря, промежуточные частицы «берут энергию взаймы» на некоторое небольшое время. В этом случае в процессе взаимодействия могут рождаться и исчезать обычные частицы, только с небольшим нарушением закона сохранения энергии.
Виртуальные частицы.