Взаимодействие частиц
в квантовой теории поля рассматривается как обмен виртуальной частицей.
В основе такого представления лежит принцип (соотношения) неопределённости.
Из соотношений неопределенности
Δx·Δpx > ћ, Δy·Δpy > ћ, Δz·Δpz > ћ, Δt·ΔE > ћ.
следует, что если частица существует в течение короткого промежутка времени Δt, то ее энергия может флюктуировать на величину ћ/Δt, а если она находится в области размером (Δx, Δy, Δz) то ее импульс (Δpx, Δpy, Δpz) флюктуирует на величину ( ћ/Δx, ћ/Δy, ћ/Δz). Таким образом, в течение малых промежутков времени Δt и на малых расстояниях (Δx, Δy, Δz) может нарушаться соотношение между импульсом и энергией частицы.
E = (p2c2 +m2c4)1/2.
Частицы, для которых нарушается соотношение между
импульсом и энергией называются виртуальными.
Говорят, что они находятся вне массовой поверхности. В виртуальных процессах
справедливы законы сохранения зарядов − электрического, барионного, лептонных.
Взаимодействия осуществляются с помощью обмена виртуальными частицами
— переносчиками этих взаимодействий. Масса виртуальной частицы m и расстояние
R, на которое она переносит взаимодействие связаны соотношением
R = ћ/mc,
из которого следует, что чем больше масса виртуальной частицы, тем меньше радиус действия сил, обусловленных обменом этой частицей. Электромагнитное взаимодействие осуществляется с помощью обмена фотонами. Так как масса фотона равна нулю, радиус электромагнитного взаимодействия бесконечен.
 Рис. 1. Испускание виртуального фотона электроном. |
На рис. 1 показан процесс испускания электроном виртуального фотона. Свободный электрон не может испустить или поглотить фотон, т.к. при этом не будут выполняться законы сохранения энергии и импульса. Это легко показать, рассматривая процесс поглощения фотона в системе координат, в которой электрон покоится после поглощения фотона. В этой системе импульсы электрона p и фотона k до поглощения равны по абсолютной величине и противоположны по направлению
|p| = |k|.
 Рис. 2. Рассеяние электрона на электроне описывается как обмен виртуальным фотоном. |
Закон сохранения энергии
(p2c2 +m2c4)1/2 + c|k| = mc2
выполняется только в случае p = k = 0. То есть свободный электрон массы
m не может испустить фотон. Однако виртуально процесс, изображенный на рис.
1, может происходить. На рис. 2 показано рассеяние электрона на электроне.
Процесс описывается обменом виртуальным фотоном.
Слабое взаимодействие описывается как результат обмена W±
и Z бозонами. На рис. 3 слева показано превращение протона в нейтрон под
действием пучка антинейтрино. На рис. 3 справа показан процесс упругого
рассеяния электронного антинейтрино на электроне, который происходит в результате
обмена нейтральным Z бозоном.
 Рис. 3. Слабое взаимодействие происходит в результате обмена W± и Z бозонами. |
Переносчиками сильного взаимодействия внутри адронов являются 8 цветных глюонов (рис. 4). В результате сильного взаимодействия происходит изменение цвета кварка. Типы кварков при этом не изменяются.
 Рис. 4. Сильное взаимодействие между кварками в адроне происходит в результате обмена цветными глюонами. |
См. также