Sanal parçacık

Fizikte sanal parçacık, sıradan parçacıkların özelliklerini sergileyen fakat sınırlı bir süreliğine var olan geçici dalgalanma olarak tanımlanır. Sanal parçacık kavramı sıradan parçacıklar arasındaki etkileşimi sanal parçacıklar arasındaki değiş tokuş olarak tanımlayan kuantum alan teorisinin Pertürbasyon teorisi kısmında ortaya çıkar. Sanal parçacıkları içeren herhangi bir süreç sanal parçacıkları iç çizgilerle temsil eden ve Feynman diyagramı olarak bilinen şematik tasarımı doğrular.
Her zaman enerji ve momentumu korumalarına rağmen, sanal parçacıkların gerçek parçacıkla uyan kütlenin aynısını taşıma gereklilikleri yoktur. Sanal parçacıkların var olma süresi uzadıkca, normal parçacıklarla özelliklerinin benzerliği artar. Sanal parçacıklar, parçacık saçılması ve Casimir kuvveti dahil fiziğin birçok sürecinde önemli bir yere sahiptirler. Kuantum alan teorisinde, elektromanyetik itme ve iki yük arasındaki çekim gibi klasik kuvvetler bile yükler arasındaki birçok sanal fotonun değiş tokuşundan ötürü gerçekleştiği düşünülebilir.
Sanal parçacıklar serbest ve belli belirsiz şekilde tanımlanıyor ve dünyanın gerçek parçacıklardan oluştuğu görüşüne değiniyor gibi görünse de bundan ziyade bu gerçek parçacıklar kuantum alanlarının temel uyarımları olarak daha iyi bir şekilde anlaşılabilir. Sanal parçacıklar ayrıca temel alanların da uyarımlarıdırlar, ama geçici anlamda etkileşim hesaplamalarında ortaya çıkarlar ve asla saçılım matrisini asimptotik olarak belirtmez veya indekslemezler. Sanal parçacıkların doğruluk ve kullanımı gibi hesaplamalar kesin olarak hesaplanmış olmalarına rağmen onların gerçekliği veya varlığı bilimselden ziyade felsefi bir tartışma ürünüdür.
Antiparçacıkların varlığı kanıtlanmıştır ve sanal parçacıklar veya sanal antiparçacıklar ile karıştırılmamalıdırlar.
Özellikleri
Sanal parçacık kavramı kuantum alan teorisinin asıl parçacıkların aralarındaki etkileşimin sanal parçacıkların değiş tokuşu baz alınarak hesaplanan ve bir yaklaşım şeması olan Pertürbasyon teorisi kısmında ortaya çıkmıştır. Bu tarz hesaplamalar genellikle sanal parçacıkların iç çizgi olarak görüldüğü, şematik bir sunum olan Feynman Diyagramı yardımıyla hesaplanır. Etkileşimleri sanal parçacıkların değiş-tokuşu baz alınarak q'nun parçacıkların etkileşim alanına girip çıkan 4 momentumunun arasındaki farklar gözetilerek verildiği sanal parçacığın 4 q momentumnunun değiş-tokuşu açısından ifade ederek, hem momentum hem de enerji Feynman Diagramının etkileşim köşesinde korunmuş olur.
.:119
Bir sanal parçacık m2c4 = E2 − p2c2 olarak gösterilen enerji-momentum ilişkisi kuralına tam olarak uymaz. Sanal parçacığın kinetik enerjisi hızla olağan bir ilişkiye sahip olmayıp zıt olabilir.:110 Bu durum kapalı kütle kabuğu tabiriyle ifade edilir. Bir sanal parçacık için genleşme ihtimalinin var olması parçacığın uzun mesafe ve zamana bağlı olarak oluşan kendini yok etme girişimleri tarafından iptal olma eğilimindedir.:119 Sonuç olarak, gerçek bir foton kütlesiz, bu nedenle de iki polarizasyon haline sahip olurken sanal olan fazlasıyla ağırdır ve üç polarizasyon haline sahiptir.
Kuantum tünelleme sanal parçacık değiş-tokuş görünümü olarak düşünülebilir.:235 Sanal parçacıklar tarafından taşınan kuvvet çeşitleri, enerji ve zamanı eşlenik ve değişken sayan bir ilke tarafından sınırlandırılması nedeniyle daha büyük kütleye sahip sanal parçacıklar daha sınırlı bir menzile sahiptirler.
Fizik denklemleri ve klasik matematik gösterimleri yazıldığında gerçek parçacıklarla sanal parçacıklar arasındaki ayrım için bir işaret yazılmaz. Bir sanal parçacıkta mevcut olan genlik yokluğunun genişliğine engel olurken gerçek bir parçacık varlığı ve yokluğu arasındaki uyumu durdurmasından dolayı birbirlerine bir daha müdahale etmezler. Kuantum alan teorisi baz alındığında, gerçek parçacıklara temel kuantum alanlarının sezilebilir uyarımları olarak bakılır. Sanal parçacıklar da temel kuantum alanlarının uyarımları olarak görülmelerine rağmen sezilebilir parçacıklar olarak görünmeyip sadece kuvvet olarak ortaya çıkarlar. Hesaplamalarda geçici anlamda ortaya çıkarlar fakat tek parçacık olarak belirlenemezler. Bundan ötürü, matematiksel ifadelerde saçılma matrisinin indisi içinde görünmezler, bir diğer deyişle, asla modellenen fiziksel süreçlerin gözle görülür giriş veya çıkışları olarak ortaya çıkmazlar.
Sanal parçacık kavramının modern fizikte ortaya çıktığı iki temel yöntem vardır. Feynman diyagramının ara terimler olarak ortaya çıkarlar, bir diğer deyişle pertürbatif hesaplama terimleri olarak. Bunun dışında yarı pertürbatif hesaplamaları özet geçen sonsuz sayıda evre kümeleri olarak da ortaya çıkarlar, ki bu durumda, bazen sanal parçacığın etkiye vasıta olan mekanizmaya katkıda bulunduğu veya etkinin sanal parçacıkta meydana geldiği söylenir.:118
Belirtileri
Etkileşimler esnasında ortaya çıkıp sanal parçacıkları içeren birçok izlenebilir fiziksel olgu vardır. Serbest ve gerçek olduklarında kütlenin gerisini sergileyen bozonik parçacıklar içinse, sanal etkileşimler parçacık alışverişiyle üretilmiş nispeten kısa menzilli kuvvet etkileşimleri ile karakterize edilirler. Bu tarz kısa-menzilli etkileşimlerin örnekleri güçlü ve zayıf kuvvetler ile bu kuvvetlerle ilişkili alan bozonlarıdır.
Yerçekimi ve elektromanyetik kuvvetler ise, uzun menzil özellikle birleşik bozon parçacıklarının hiçlik kütleleri tarafından sanal parçacıkların aracıları olmaya zorlanırlar. Fakat, fotonlar açısından bakıldığında ise, sanal parçacıklar tarafından yapılan güç ve bilgi transferleri nispeten kısa menzilli olgulardır, bu olgulara örnek olarak halka ve anten alanlarının yakınlarında görülen karakteristik olarak tümevarımsal ve kapasitif kısa menzilli etkiler verilebilir.
Sanal parçacıkların incelenebileceği bazı etkileşim alanları şunlardır:
Elektrik yükleri arasındaki Coulomb kuvveti (statik elektrik kuvveti). Sanal fotonların değişimi sayesinde oluşur. Bu değişiklik simetrik üç boyutlu uzayda elektrik kuvvetinin ters kare kuralına uymasıyla sonuçlanır.
Dipoller arası manyetik alan. Sanal fotonların değişimiyle oluşur. Bu değişiklik üç boyutlu simetrik uzayda manyetik kuvvetin ters küp kuralına uymasıyla sonuçlanır.
Elektromanyetik indüksiyon.
Sanal gluonların etkisiyle meydana gelen kuarklar arası şiddetli nükleer kuvvet. Bu kuvvetten geriye kalan üçlü kuarklar (nötron ve proton) ve pi ve rho gibi sanal mezonlar nötron ve protonu çekirdeğin içinde tutar.
Sanal W ve Z bozonlarının değişimiyle meydana gelen zayıf nükleer kuvvet.
Uyarılmış atom ya da atom çekirdeğinin bozunması süresince meydana gelen spontane foton emisyonu.
Casimir kuvveti. Taban durumdaki elektromanyetik alanın iki nötr metal plaka arasında oluşturduğu çekim.
Van der Waals kuvveti, kısmen iki atom arasındaki casimir kuvveti.
Vakum kutuplaşması, vakumun bozunmasını ve çift üretimini içerir.
Atomik seviyelerin pozisyonlarındaki Lamb kayması.
Kütleçekim alanının foton çiftleri üretimine sebep olacak kadar kuvvetli olduğu durumlarda, Hawking radyasyonu.
Bunların birçoğu katı hal fiziğinde benzer etkilere sahiptir. Hatta bunlar üzerinde çalışarak katı hal fiziğini daha iyi anlamak mümkündür. Yarı iletkenlerde, elektron, pozitron ve fotonların alan teorisindeki rolü iletim kuşağındaki elektronlar, değerlik kuşağındaki delikler ve kristal örgünün titreşimleri ve fononlarıyla yer değiştirir. Sanal parçacık olasılık genliğinin korunmadığı sanal haldedir. Sanal fonon, foton ve elektronun makroskobik örnekleri tünelleme işlemi sırasında Günter Nimtz ve A. Alfons Stahlhofen tarafından ortaya konmuştur.
Tarihi
Boş uzayın (vakum) negatif enerjili elektronların oluşturduğu Dirac denizi olarak bilinen bir elektron denizi olarak canlandırılabileceğini söyleyen ilk kişi Paul Dirac'tı. Dirac denizi katı hal fiziğinde tanımlanan krital karılardaki elektron bağ yapısının doğrudan benzeridir. Burada parçacıklar elektron iletkenliğini, antiparçacıklar ise delikleri temsil eder. Birçok olay bu yapıya uyarlanabilir. 1930'larda kuantum alan teorisinin geliştirilmesiyle Dirac denklemlerini düzenleyip pozitronlara parçanın yokluğu yerine gerçek bir parça olarak davranılması sağlandı.
Feynman diyagramları
Teorik parçacık fiziğinde saçılma genliğinin hesaplanması büyük sayılar içeren integral hesaplamalarını gerektirir. Bu integraller Feynman diyagramları olarak da bilinir. Bu diyagramlar çok önemlidir çünkü normalde çok karışık ve soyut olan formülleri basit görsel sunumlara çevirir. Özellikle, diyagramların dışarı uzanan kolları açık kabuklu parçacıklarla ilişkili olabilir. Bu yüzden, diyagramın diğer kollarının sanal parçacıklarla da ilişkilendirilmesi oldukça doğal. Matematiksel olarak diyagramda yayıcı görevi görürler.
Sağdaki görselde, kalın çizgiler gerçek parçacıkları temsil ederken, noktalı çizgiler k momentumunu taşıyan sanal parçacıkları temsil eder. Örneğin, kalın çizgiler elektromanyetik etkileşimli elektronlar, noktalı çizgiler ise sanal fotonun değişimi. Çekirdeklerin etkileşmesi durumunda, noktalı çizgiler sanal pionlar olur (pi mezonları). Şiddetli kuvvetler sayesinde meydana gelen kuark etkileşimlerinde ise, noktalı çizgiler sanal gluonları temsil eder.
Yukarıdaki örnekteki gibi sanal parçacıklar mezonlar veya vektör bozonları ve hatta fermiyonlar olabilir. Yine de, birçok basit diyagram kuantum sayılarını korumak için fermiyon değişimlerini içermez. Sağdaki görsel tek döngü diyagramını göstermektedir ve kalın çizgiler fermiyon yayıcısını temsil ederken, dalgalı çizgiler bozonları temsil eder.
Vakum
Resmi tabiriyle, parçacık, parçacık sayısı operatörünün kuantum durumu olarak düşünülür. Birçok durumda parçacık numara operatörü Hamiltonian sistemle (kuantum mekaniği) takasa girmez. Bu da alandaki parçacık sayısının iyi tanımlanmamış bir nicelik olduğu anlamına gelir. Fakat, diğer kuantum gözlemlenebilirlerine gibi, olasılık dağılımıyla tanımlanabilir. Bu parçacıkların varlığı kalıcı olmadığı için, sanal parçacıkla ya da vakum dalgalanmaları olarak adlandırılır. Bu durum biraz da zaman-enerji belirsizliği prensibinin gösterisi gibidir.
Sanal parçacıkaların vakum içindeki mevcudiyetinin önemli bir örneği Casimir kuvvetidir. Bu kuvvetin açıklaması vakum içindeki bütün sanal parçacıkların enerjilerinin toplamını gerektirir. Bu yüzden, sanal parçacıklar laboratuvar ortamında doğrudan gözlemlenmemiş olsalar bile gözlemlenebilen etkiler bırakıyorlar: sıfır noktasındak enerjileri iyi yerleştirilmiş metal plakalarda ya da dielektriklerde kuvvete sebep olur. Ayrıca, Casimir etkisi rölativistik van der Waals kuvveti olarak da tanımlanabilir.
Çift üretimi
Sanal parçacıklar popüler bilimde genellikle parçacık-antiparçacık çifti olarak tanıtılırlar. Bu çift çok kısa bir süre için var olur ve sonrasında birbirlerini yok ederler. Bazı durumlarda, birbirlerini yok etmelerine fırsat vermeden dış kuvvetle ayırıp birer gerçek parçacık haline getirilmeleri mümkündür.
Ayırma işlemi iki şekilde yapılabilir. ivmelenen bir referans noktasında, sanal parçacıklar ivmelenen gözlemciye gerçek parçacıklarmış gibi görünebilir. Buna Unruh etkisi denir. Kısaca, ivmelenen gözlemci için sabit bir noktada beliren vakum, termodinamik eşitlikteki gerçek parçacıkların ılık gazı olur.
Çok güçlü elektrik alanlardaki çift üretimi vakum bozunumu olarak da adlandırılır. Örneğin, eğer bir atom çekirdeği çifti 140'tan büyük bir yükle birleşirse, elektrik alanın şiddeti vakum dışındaki pozitron-elektron çiftinin üretilmesi için gereken enerjiye eş değer olur. Bu çift üretim genliği ilk olarak Julian Schwinger tarafından hesaplandı.
Gerçek ve sanal parçacıkların karşılaştırılması
Kuantum mekaniğinin belirsizliğinin bir sonucu olarak, sınırlı bir zaman içinde sınırlı bir hacimde var olan herhangi bir cismin enerji ve momentumu tam olarak tanımlanamaz. Sanal parçacıkların kütle-kabuk ilişkisine uymak zorunda olmamasının sebebi de budur. Ancak yine de sanal parçacığın varlığı ne kadar uzun sürerse kütle-kabuk ilişkisine de o kadar uymaya başlar. İstediği kadar uzun süre varlığını koruyabilen sanal parçacıklar, normal parçacıklardır ve bu açıdan mikrodalga gibi elektromanyetik dalgalar sanallar yerine gerçek fotonlar içerir. (Tipik bir güç yayan mikrodalga fırını her saniye kabaca gerçek foton üretir.)
Ancak, her parçacık bir sebeple yıkıma uğrayacağı için sonlu bir ömre sahiptir. Bu yüzden gerçek ve sanal parçacık arasında mutlak bir fark yoktur. Normal parçacıkların ömürleri sanallarınkinden çok daha uzun olduğu için parçacık fiziğinde böyle bir ayrım yapmak daha verimlidir.