יש מספר תכונות שמאפיינות מצב של חלקיק, שתיים מהן הן אנרגיה (E) ותנע קווי (p).
לדוגמא - עבור חלקיק עם מסה m שנע במהירות v שנמוכה בהרבה ממהירות האור, הגדלים האלה הם בקירוב p=mv ו- E=m+mv^2/2 (הסימן ^ מייצג חזקה).
הקשר המדויק בין האנרגיה והתנע הוא E^2=p^2+m^2.
אם ניקח חלקיק במצב מסויים ונמדוד במעבדה במדויק את האנרגיה, התנע, והמסה שלו, נמצא שהקשר הזה מתקיים.

חלקיק וירטואלי הוא כלי עזר שמאפשר לנו לחשב את הדינמיקה של התנגשות בין שני חלקיקים אמיתיים.
ניקח כדוגמה ניסוי בו אנו יורים שני אלקטרונים אחד על השני. יש ביניהם כח דחייה חשמלי ולכן הם מתנגשים ומתפזרים לכיוונים אחרים. אנו מעוניינים לחזות את הסיכוי שהאלקטרונים יתפזרו לכיוונים מסוימים, כי זה יאפשר לנו לאמת את התאוריה בניסוי. כדי לעשות זאת במדויק צריך להבין מהו מקור כח הדחייה בין האלקטרונים, והתשובה היא שהכח נובע מהחלקיקים שמרכיבים את הגלים האלקטרומגנטיים, כלומר הפוטונים.
שני אלקטרונים לא מרגישים ישירות אחד את השני. כל מה שהם יודעים לעשות זה לפלוט ולקלוט פוטונים. כששני אלקטרונים מתקרבים זה לזה, גדל הסיכוי שאחד יפלוט פוטון והשני יקלוט אותו. לפוטון עצמו יש תנע ואנרגיה שהוא מעביר מהאלקטרון הפולט לזה הקולט, ולכן המהירויות של האלקטרונים משתנות ואנו חוזים בהתנגשות.


תמונה עובדה מויקיפדיה.

לפוטונים האלה (שהאלקטרונים מחליפים) אנו קוראים פוטונים וירטואליים, כיוון שהם לא מקיימים את הקשר בין תנע ואנרגיה.
הם פנימיים לתהליך ההתנגשות ולא נצפים בגלאי, ולכן אין סתירה עם מה שאמרנו קודם. כל סוג של חלקיק, למשל פוטון, יכול להיות במצב וירטואלי או במצב "אמיתי". אם אלקטרון פולט פוטון שאנחנו קולטים בגלאי, כמו למשל בשידור רדיו, אז הפוטון שנקלט על ידינו חייב גם הוא לקיים את הקשר בין האנרגיה והתנע. לעומת זאת אם הפוטון נפלט ונקלט בזמן התהליך אז נקרא לו וירטואלי. אותו דבר נכון גם לאלקטרונים ולשאר סוגי החלקיקים.

כעת ניתן לשאול, האם חלקיקים וירטואליים "קיימים באמת"? השאלה האם משהו "קיים" היא שאלה חסרת משמעות.
כל שאנו יודעים לעשות הוא לבנות מודל שמתאר את המציאות וחוזה תוצאות של ניסויים. לא ניתן לומר שהאובייקטים במודל, כמו חלקיקים, וירוסים, או בני אדם, הם "קיימים" או "לא קיימים". נוח כמובן לחשוב על חלקם כ"קיימים", אבל אין לזה משמעות מעשית. שאלה שניתן לענות עליה היא האם חלקיקים וירטואליים הם אובייקטים בסיסים בתאוריה (ורק בתאוריה, לא בטבע!), או שהם רק תוצאה של התאור המקורב שלנו. התשובה היא שהם לא אוביקטים בסיסיים, וכדי להבין למה נחזור לתאור ההתנגשות בין האלקטרונים.

תיארנו מצב בו אלקטרון פולט פוטון שנקלט על-ידי האלקטרון השני. אבל יש גם סיכוי, קטן יותר, שאלקטרון יפלוט למשל שני פוטונים והשני יקלוט אותם, או שכל אלקטרון יפלוט שלושה פוטונים וכן הלאה. כדי להבין במדויק את ההתנגשות אנחנו צריכים לקחת בחשבון את כל אינסוף האפשרויות, אבל אנחנו לא יודעים לעשות זאת. מה שאנחנו יודעים זה שתהליכים עם פחות פוטונים מכילים את רוב המידע על ההתנגשות, ולכן בקירוב טוב מספיק לחשב אותם. מכאן מגיע המושג של חלקיקים וירטואליים: הוא מופיע ככלי עזר מתמטי, כשמנסים לקרב את התנגשות הפוטונים על ידי בעיה שניתן לפתור. אם היינו מספיק חכמים כדי לחשב מיד את ההתנגשות במדויק, לא היינו חושבים במונחים של חלקיקים וירטואליים. לעומת זאת, חלקיקים שמקיימים את הקשר בין תנע ואנרגיה הם כן בסיסיים במובן מסויים, אבל זה נושא לשאלה אחרת.


תמונה באדיבות ויקיפדיה.

מאת: גיא גור-ארי
המחלקה לחלקיקים אלמנטריים
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

5 תגובות

  • cool

    כמו האתר של פעם - הפיזיקאים שבויים בקונספציה אבל המלך הוא עירום

    לא מאמין בקשקוש שנקרא פוטונים וירטואליים. זהו תעלול מתמטי שמנסה להסדיר את בעייתיות השדה הסטטי בתיאור קוונטי.

  • אור

    חלקיקים טעונים חיוביים

    בין שני חלקיקים בעלי אותו מטען יש דחייה, זה ברור.. אבל אם ככה, כיצד החלפה של פוטון בין שני מטענים מנוגדים גורמת למשיכה?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאנה גריבנין

    אינטרקציה חשמלית

    שלום אור,
    ישנו בלבול נפוץ בנושא ואנסה לעשות מעט סדר: אינטרקציות בין מטענים טעונים נובעות מהכוח האלקטרומגנטי. ישנה תיאורייה אשר מתארת אינטרקציה אלקטרומגנטית כתהליך של פליטת ובליעת פוטונים וירטואליים.
    מה זאת אומרת פוטונים וירטואליים? זאת אומרת שהמטענים לא באמת פולטים/בולעים פוטונים שניתן לגלות אותם במציאות, אלא שזו דרך לתאר את הכוחות הללו כאילו נבלע/נפלט פוטון. זוהי אחת הדרכים שניתן לתאר את הכוחות הללו והיא נוחה למגוון שימושים. כלומר - המונח "החלפת פוטונים" נפוץ אך עם זאת אלו רק מילים שלא מתארות במדוייק את מה שעומד מאחוריהן.
    על מנת באמת להבין את התהליך שמתאר משיכה/דחייה חשמלית המתואר ע"י פליטה ובליעה של פוטנים צריך לדעת מתמטיקה על מנת לחשב את הסיכויים לבליעה/פליטה של פוטון ומכך לקבל את התוצאה.
    למרות זאת, אני יכולה לתאר לך את זה באופן אינטואיטיבי: אפשר לחשוב על שני חלקיקים עם מטענים הפוכים אלקטרון ופוזיטורון. האלקטרון פולט פוטון ומשימור תנע נדחף לכיוון הפוזיטרון. הפויטרון בולע את אותו הפוטון ונדחף לכיוון האלקטרון. התהליך הזה אפשרי אם חושבים על האלקטרון והפוזיטרון לא כעל חלקיקים נקודתיים אלא על חלקיקים שהמיקום המדוייק שלהם לא ידוע (עקרון אי הודאות).

  • דוד

    מסה לפוטון

    איך יתכן שלפוטון יש תנע אם אין לו מסה
    הרי תנע מוגדר M*V

  • שלומי

    לא מדוייק

    תנע קלאסי מוגדר M*V רק במכניקה קלאסית. בפיזיקה מודרנית תנע יחסותי מוגדר בנוסחה המצורפת.

    כאשר P הוא תנע, V הוא מהירות, C הוא מהירות האור E הוא אנרגיה וM0 הוא מסת המנוחה. קל לראות שכאשר מציבים מסת כשווה לאפס נשארים עם אנרגיה שווה לתנע כפול מהירות האור. יואצ אם כך שתנע של פוטון הוא האנרגיה שהוא נושא חלקי מהירות האור.

    קבצים:
    נוסחה
    http://www.weizmann.ac.il/zemed/upload/538781663ccd8bab05c2a528659891e1.png