جسيم افتراضي

الجسيم الافتراضي هو جسيم نظري عابر يُظهر بعض خصائص الجسيم العادي، مع أن وجوده محدود بمبدأ عدم اليقين ، الذي يسمح للجسيمات الافتراضية بالظهور تلقائيًا من الفراغ في نطاقات زمنية ومكانية قصيرة. ^{[ 1 ]} ينشأ مفهوم الجسيمات الافتراضية في نظرية الاضطراب لنظرية الحقل الكمومي (QFT)، حيث تُوصف التفاعلات بين الجسيمات العادية من خلال تبادل الجسيمات الافتراضية. ويمكن وصف عملية تتضمن جسيمات افتراضية بمخطط تخطيطي يُعرف باسم مخطط فاينمان ، حيث تُمثل الجسيمات الافتراضية بخطوط داخلية. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

لا تحمل الجسيمات الافتراضية بالضرورة نفس كتلة الجسيمات العادية المقابلة لها، مع أنها تحتفظ دائمًا بالطاقة والزخم . وكلما اقتربت خصائصها من خصائص الجسيمات العادية، طالت مدة وجودها. وتلعب الجسيمات الافتراضية دورًا هامًا في فيزياء العديد من العمليات، بما في ذلك تشتت الجسيمات وقوى كازيمير . في نظرية الحقل الكمومي، يمكن اعتبار القوى - كالتنافر أو التجاذب الكهرومغناطيسي بين شحنتين - ناتجة عن تبادل الفوتونات الافتراضية بين الشحنتين. وتُعد الفوتونات الافتراضية جسيمات التبادل في التفاعل الكهرومغناطيسي .

يُعدّ هذا المصطلح فضفاضًا وغير مُحدّد بدقة، ^{[ 4 ]} إذ يُشير إلى فكرة أن العالم مُكوّن من "جسيمات حقيقية". ويُفهم "الجسيمات الحقيقية" بشكل أفضل على أنها إثارات للحقول الكمومية الأساسية. أما الجسيمات الافتراضية فهي أيضًا إثارات للحقول الأساسية، لكنها "مؤقتة" بمعنى أنها تظهر في حسابات التفاعلات، ولكنها لا تظهر أبدًا كحالات تقارب أو مؤشرات لمصفوفة التشتت . وقد ثبتت دقة استخدام الجسيمات الافتراضية في الحسابات، ولكن نظرًا لعدم إمكانية رصدها في التجارب، فإن تحديد كيفية وصفها بدقة يُعدّ موضوعًا للنقاش. ^{[ 5 ]} وعلى الرغم من شيوع استخدامها، إلا أنها ليست سمة ضرورية لنظرية الحقول الكمومية، بل هي بالأحرى مُجرّد تسهيلات رياضية، كما يتضح من نظرية الحقول الشبكية التي تتجنب استخدام هذا المفهوم تمامًا.

ينشأ مفهوم الجسيمات الافتراضية في نظرية الاضطراب لنظرية الحقل الكمومي ، وهي تقريبٌ تُحسب فيه التفاعلات (أي القوى) بين الجسيمات الحقيقية بدلالة تبادل الجسيمات الافتراضية. تُجرى هذه الحسابات غالبًا باستخدام تمثيلات تخطيطية تُعرف بمخططات فاينمان ، حيث تظهر الجسيمات الافتراضية كخطوط داخلية. عند التعبير عن التفاعل بدلالة تبادل جسيم افتراضي ذي زخم رباعي q ، حيث يُعطى q بالفرق بين الزخم الرباعي للجسيمات الداخلة والخارجة من رأس التفاعل، يُحفظ كلٌ من الزخم والطاقة عند رؤوس التفاعل في مخطط فاينمان. ^{[ 6 ] : 119}

لا تخضع الجسيمات الافتراضية بدقة لعلاقة الطاقة والزخم m²c⁴ = E² - p²c² . وقد ^لا ترتبط طاقتها الحركية بالسرعة بالعلاقة المعتادة ^، بل قد ^تكون سالبة. ^{[ 7 ] : 110} ويُعبَّر عن ذلك بعبارة " ^غلاف خارج الكتلة" ^. [ ^{6 ] : 119 يميل} احتمال وجود جسيم افتراضي إلى التلاشي بفعل التداخل الهدام على مسافات وأزمنة أطول. ونتيجة لذلك، يكون الفوتون الحقيقي عديم الكتلة، وبالتالي له حالتا استقطاب فقط، بينما يكون الفوتون الافتراضي، ذو الكتلة الفعلية، له ثلاث حالات استقطاب.

يمكن اعتبار النفق الكمومي مظهرًا من مظاهر تبادل الجسيمات الافتراضية. ^{[ 8 ] : 235} ويُحدَّد نطاق القوى التي تحملها الجسيمات الافتراضية بمبدأ عدم اليقين، الذي يعتبر الطاقة والزمن متغيرين مترافقين؛ وبالتالي، فإن نطاق الجسيمات الافتراضية ذات الكتلة الأكبر يكون محدودًا. ^{[ 9 ]}

لا يوجد في معادلات الفيزياء، المكتوبة بالرموز الرياضية المعتادة، أي تمييز بين الجسيمات الافتراضية والجسيمات الفعلية. تتداخل سعات العمليات التي تحتوي على جسيم افتراضي مع سعات العمليات التي لا تحتوي عليه، بينما بالنسبة للجسيم الفعلي، تتوقف حالتا الوجود والعدم عن التوافق ولا تتداخلان. من منظور نظرية الحقل الكمومي، تُعتبر الجسيمات الفعلية إثارات قابلة للكشف للحقول الكمومية الأساسية. تُعتبر الجسيمات الافتراضية أيضًا إثارات للحقول الأساسية، لكنها تظهر فقط كقوى، لا كجسيمات قابلة للكشف. وهي "مؤقتة" بمعنى أنها تظهر في بعض الحسابات، لكن لا يتم الكشف عنها كجسيمات منفردة. وبالتالي، من الناحية الرياضية، لا تظهر أبدًا كمؤشرات لمصفوفة التشتت ، أي أنها لا تظهر أبدًا كمدخلات ومخرجات قابلة للملاحظة للعملية الفيزيائية التي يتم نمذجتها.

يظهر مفهوم الجسيمات الافتراضية في الفيزياء الحديثة بطريقتين رئيسيتين. تظهر هذه الجسيمات كحدود وسيطة في مخططات فاينمان ، أي كحدود في حسابات الاضطراب. كما تظهر كمجموعة لانهائية من الحالات التي تُجمع أو تُكامل في حساب التأثير شبه غير الاضطرابي. في الحالة الأخيرة، يُقال أحيانًا إن الجسيمات الافتراضية تُسهم في آلية تُسبب هذا التأثير، أو أن التأثير يحدث من خلال الجسيمات الافتراضية. ^{[ 6 ] : 118}

توجد العديد من الظواهر الفيزيائية الملحوظة التي تنشأ في التفاعلات التي تشمل جسيمات افتراضية. بالنسبة للجسيمات البوزونية التي تمتلك كتلة سكونية عندما تكون حرة وحقيقية، تتميز التفاعلات الافتراضية بقصر مدى قوة التفاعل الناتج عن تبادل الجسيمات. ويمكن أن يؤدي الحصر أيضًا إلى قصر المدى. ومن أمثلة هذه التفاعلات قصيرة المدى القوى النووية القوية والضعيفة، وبوزونات المجال المرتبطة بها.

بالنسبة لقوى الجاذبية والكهرومغناطيسية، فإن انعدام كتلة السكون لجسيم البوزون المرتبط بها يسمح بنقل القوى بعيدة المدى بواسطة جسيمات افتراضية. مع ذلك، في حالة الفوتونات، يُعد نقل الطاقة والمعلومات بواسطة الجسيمات الافتراضية ظاهرة قصيرة المدى نسبيًا (تقتصر على بضعة أطوال موجية من اضطراب المجال الذي يحمل المعلومات أو الطاقة المنقولة)، كما يُلاحظ على سبيل المثال في المدى القصير المميز للتأثيرات الحثية والسعوية في منطقة المجال القريب للملفات والهوائيات.

بعض التفاعلات الميدانية التي يمكن رؤيتها من حيث الجسيمات الافتراضية هي:

• قوة كولوم ( القوة الكهربائية الساكنة) بين الشحنات الكهربائية. تنشأ هذه القوة نتيجة تبادل الفوتونات الافتراضية . في الفضاء ثلاثي الأبعاد المتناظر، يؤدي هذا التبادل إلى قانون التربيع العكسي للقوة الكهربائية. ولأن الفوتون عديم الكتلة، فإن جهد كولوم له مدى لانهائي.
• المجال المغناطيسي بين ثنائيات الأقطاب المغناطيسية . وينشأ هذا المجال عن تبادل الفوتونات الافتراضية . في الفضاء ثلاثي الأبعاد المتناظر، ينتج عن هذا التبادل قانون التناسب العكسي مع مكعب القوة المغناطيسية. ولأن الفوتون عديم الكتلة، فإن الجهد المغناطيسي له مدى لانهائي. مع ذلك، فإن الفترة الزمنية المتاحة لوجود الفوتون الافتراضي ليست لانهائية.
• الحث الكهرومغناطيسي . هذه الظاهرة تنقل الطاقة من وإلى ملف مغناطيسي عبر مجال (كهرومغناطيسي) متغير.
• القوة النووية القوية بين الكواركات هي نتيجة تفاعل الغلوونات الافتراضية . أما القوة المتبقية من هذه القوة خارج ثلاثيات الكواركات (النيوترون والبروتون) فهي التي تربط النيوترونات والبروتونات معًا في النوى، وتعود إلى الميزونات الافتراضية مثل ميزون باي وميزون رو .
• القوة النووية الضعيفة هي نتيجة التبادل بواسطة بوزونات W و Z الافتراضية .
• الانبعاث التلقائي للفوتون أثناء اضمحلال ذرة مثارة أو نواة مثارة؛ هذا الاضمحلال محظور بواسطة ميكانيكا الكم العادية ويتطلب تكميم المجال الكهرومغناطيسي لتفسيره.
• تأثير كازيمير ، حيث تتسبب الحالة الأرضية للمجال الكهرومغناطيسي الكمي في حدوث انجذاب بين زوج من الصفائح المعدنية المحايدة كهربائياً.
• قوة فان دير فالس ، والتي تعود جزئياً إلى تأثير كازيمير بين ذرتين.
• الاستقطاب الفراغي ، الذي يتضمن إنتاج الأزواج أو اضمحلال الفراغ ، وهو الإنتاج التلقائي لأزواج الجسيمات المضادة (مثل الإلكترون-بوزيترون).
• انزياح لامب لمواقع المستويات الذرية.
• معاوقة الفضاء الحر ، التي تحدد النسبة بين شدة المجال الكهربائي | E | وشدة المجال المغناطيسي | H | : Z ₀ = | E | / | H | . ^{[ 10 ]}
• يُعدّ جزء كبير مما يُسمى بالمجال القريب لهوائيات الراديو، حيث تُساهم التأثيرات المغناطيسية والكهربائية للتيار المتغير في سلك الهوائي، بالإضافة إلى تأثيرات الشحنة السعوية للسلك، بشكلٍ كبير في المجال الكهرومغناطيسي الكلي بالقرب من المصدر، إلا أن كلا التأثيرين هما تأثيرات ثنائية القطب تتلاشى مع ازدياد المسافة من الهوائي بسرعة أكبر بكثير من تأثير الموجات الكهرومغناطيسية "التقليدية" البعيدة عن المصدر. ^{[ أ ]} تتكون موجات المجال البعيد هذه، التي يكون فيها المجال الكهربائي (E ) مساويًا لكثافة المجال المغناطيسي (cB ) عند المسافات الطويلة ، من فوتونات حقيقية. تختلط الفوتونات الحقيقية والوهمية بالقرب من الهوائي، حيث تُعدّ الفوتونات الوهمية مسؤولة فقط عن التأثيرات المغناطيسية الحثية والكهربائية ثنائية القطب "الإضافية"، والتي تُسبب أي اختلال بين E و cB . مع ازدياد المسافة من الهوائي، تتلاشى تأثيرات المجال القريب (كمجالات ثنائية القطب) بسرعة أكبر، وتبقى فقط التأثيرات "الإشعاعية" الناتجة عن الفوتونات الحقيقية كتأثيرات مهمة. على الرغم من أن التأثيرات الافتراضية تمتد إلى ما لا نهاية، إلا أن شدة مجالها تتناقص بنسبة 1/ r² ^، على عكس مجال الموجات الكهرومغناطيسية المكونة من فوتونات حقيقية، والتي تتناقص بنسبة 1/ r . ^{[ ب ] [ ج ]}

معظم هذه الظواهر لها تأثيرات مماثلة في فيزياء الحالة الصلبة ؛ بل يمكن في كثير من الأحيان اكتساب فهم بديهي أفضل من خلال دراسة هذه الحالات. في أشباه الموصلات ، تُستبدل أدوار الإلكترونات والبوزيترونات والفوتونات في نظرية المجال بالإلكترونات في نطاق التوصيل ، والفجوات في نطاق التكافؤ ، والفونونات أو اهتزازات الشبكة البلورية. الجسيم الافتراضي يكون في حالة افتراضية حيث لا يُحفظ سعة الاحتمال . وقد قدم غونتر نيمتز ^{[ 11 ]} وألفونس أ. ستالهوفن ^{[ 12 ]} أمثلة على الفونونات والفوتونات والإلكترونات الافتراضية العيانية في حالة عملية النفق الكمومي.

يتطلب حساب سعات التشتت في فيزياء الجسيمات النظرية استخدام تكاملات كبيرة ومعقدة نسبيًا على عدد كبير من المتغيرات. ومع ذلك، تتميز هذه التكاملات ببنية منتظمة، ويمكن تمثيلها بمخططات فاينمان . تكمن جاذبية مخططات فاينمان في أنها تتيح عرضًا بصريًا بسيطًا لما قد يكون صيغة غامضة ومجردة. ومن أهم مزاياها أن الخطوط الخارجة من مخطط فاينمان يمكن ربطها بجسيمات حقيقية على غلافها . وبالتالي، من الطبيعي ربط الخطوط الأخرى في المخطط بجسيمات أيضًا، تُسمى "الجسيمات الافتراضية". رياضيًا، تُقابل هذه الجسيمات مُوَصِّلات الانتشار الظاهرة في المخطط.

في الصورة المجاورة، تمثل الخطوط المتصلة جسيمات حقيقية (ذات زخم p _، وهكذا)، بينما يمثل الخط المتقطع جسيمًا افتراضيًا يحمل زخمًا k . على سبيل المثال، إذا كانت الخطوط المتصلة تمثل إلكترونات تتفاعل عبر التفاعل الكهرومغناطيسي ، فإن الخط المتقطع يمثل تبادل فوتون افتراضي . وفي حالة النيوكليونات المتفاعلة ، يمثل الخط المتقطع بيونًا افتراضيًا . وفي حالة الكواركات المتفاعلة عبر القوة النووية القوية ، يمثل الخط المتقطع غلوونًا افتراضيًا ، وهكذا.

قد تكون الجسيمات الافتراضية ميزونات أو بوزونات متجهة ، كما في المثال أعلاه؛ وقد تكون أيضًا فرميونات . مع ذلك، وللحفاظ على الأعداد الكمومية، يُحظر استخدام معظم المخططات البسيطة التي تتضمن تبادل الفرميونات. تُظهر الصورة على اليمين مخططًا مسموحًا به، وهو مخطط ذو حلقة واحدة . تُشير الخطوط المتصلة إلى مُوَصِّل الفرميونات، بينما تُشير الخطوط المتموجة إلى البوزونات.

بصورة رسمية، يُعتبر الجسيم حالةً ذاتيةً لمؤثر عدد الجسيمات a ^† a ، حيث a هو مؤثر إفناء الجسيمات و a ^† هو مؤثر إنشاء الجسيمات (ويُطلق عليهما أحيانًا مجتمعين مؤثرَي السلم ). في كثير من الحالات، لا يتبادل مؤثر عدد الجسيمات مع هاميلتوني النظام. وهذا يعني أن عدد الجسيمات في منطقة معينة من الفضاء ليس كميةً محددةً بدقة، بل يُعبَّر عنه ، كغيره من الكميات الكمومية القابلة للرصد ، بتوزيع احتمالي . ولأن وجود هذه الجسيمات ليس مؤكدًا، تُسمى جسيمات افتراضية أو تقلبات طاقة الفراغ . ويمكن فهمها، بمعنى ما، على أنها تجلٍّ لمبدأ عدم اليقين في الطاقة والزمن في الفراغ. ^{[ 13 ]}

يُعدّ تأثير كازيمير مثالًا هامًا على "وجود" الجسيمات الافتراضية في الفراغ . ^{[ 14 ]} يتطلب تفسير هذا التأثير إمكانية جمع الطاقة الكلية لجميع الجسيمات الافتراضية في الفراغ. وبالتالي، على الرغم من أن الجسيمات الافتراضية نفسها غير قابلة للملاحظة المباشرة في المختبر، إلا أنها تُخلّف أثرًا ملحوظًا: إذ تُؤدي طاقة نقطة الصفر الخاصة بها إلى قوى تؤثر على صفائح معدنية أو مواد عازلة مُرتبة بشكل مناسب . ^{[ 15 ]} من ناحية أخرى، يُمكن تفسير تأثير كازيمير على أنه قوة فان دير فالس النسبية . ^{[ 16 ]}

غالباً ما تُوصف الجسيمات الافتراضية بأنها تأتي في أزواج، جسيم وجسيم مضاد ، ويمكن أن يكونا من أي نوع. تدوم هذه الأزواج لفترة قصيرة للغاية، ثم تفني بعضها بعضاً، أو في بعض الحالات، قد يتم فصل الزوج باستخدام طاقة خارجية لتجنب الفناء والتحول إلى جسيمات حقيقية، كما هو موضح أدناه.

قد يحدث هذا بإحدى طريقتين. في إطار مرجعي متسارع ، قد تبدو الجسيمات الافتراضية حقيقية للمراقب المتسارع؛ وهذا ما يُعرف بتأثير أونرو . باختصار، يبدو فراغ الإطار الثابت، للمراقب المتسارع، كغاز دافئ من جسيمات حقيقية في حالة توازن ديناميكي حراري .

مثال آخر هو إنتاج الأزواج في مجالات كهربائية شديدة القوة، ويُسمى أحيانًا اضمحلال الفراغ . فإذا اندمج زوج من النوى الذرية ، على سبيل المثال، لتكوين نواة لفترة وجيزة جدًا بشحنة أكبر من 140 تقريبًا (أي أكبر من مقلوب ثابت البنية الدقيقة ، وهو كمية لا بُعدية )، فإن شدة المجال الكهربائي ستكون كافية لجعل إنتاج أزواج البوزيترون والإلكترون من الفراغ أو بحر ديراك مُفضلاً من الناحية الطاقية ، حيث ينجذب الإلكترون إلى النواة لإلغاء الشحنة الموجبة. وقد حُسبت سعة إنتاج هذه الأزواج لأول مرة بواسطة جوليان شوينجر عام 1951.

نتيجةً لعدم اليقين في ميكانيكا الكم ، لا يمكن لأي جسم أو عملية موجودة لفترة محدودة أو في حجم محدود أن تمتلك طاقة أو زخمًا محددين بدقة. ولهذا السبب، فإن الجسيمات الافتراضية - التي لا توجد إلا مؤقتًا أثناء تبادلها بين الجسيمات العادية - لا تخضع عادةً لعلاقة الكتلة بالغلاف ؛ فكلما طالت مدة وجود الجسيم الافتراضي، اقتربت طاقته وزخمه من علاقة الكتلة بالغلاف.

عادةً ما يكون عمر الجسيمات الحقيقية أطول بكثير من عمر الجسيمات الافتراضية. يتكون الإشعاع الكهرومغناطيسي من فوتونات حقيقية قد تقطع مسافات تصل إلى سنوات ضوئية بين الباعث والممتص، لكن التجاذب والتنافر الكهروستاتيكي (الكولومبي) قوة قصيرة المدى نسبيًا، وهي نتيجة لتبادل الفوتونات الافتراضية .

• هل الجسيمات الافتراضية تظهر وتختفي باستمرار؟  – يقترح جوردون كين، مدير مركز ميشيغان للفيزياء النظرية في جامعة ميشيغان في آن أربور، إجابة على موقع ساينتفك أمريكان .
• الجسيمات الافتراضية: ما هي؟
• د. كايزر (2005) العالم الأمريكي 93 ص 156 مقال شائع