가상 입자

3. 여러가지 현상

가상 입자는 다양한 물리적 현상에서 나타난다. 몇 가지 예를 들면 다음과 같다.

• 전자기력:
• 전하 사이의 쿨롱 힘(정전기력): 가상 광자의 교환으로 발생한다. 광자는 질량이 없으므로 쿨롱 힘은 무한한 범위를 갖지만, 가상 광자가 존재할 수 있는 시간은 무한하지 않다.
• 자기 쌍극자 사이의 자기장: 역시 가상 광자의 교환으로 발생하며, 자기력 또한 역제곱 법칙을 따른다.
• 전자기 유도: 변화하는 (전기)자기장을 통해 에너지가 전달되는 현상이다.
• 강한 핵력: 쿼크 사이의 강한 핵력은 가상 글루온의 상호작용으로 발생한다. 이 힘의 잔류는 파이 중간자 및 로 중간자와 같은 가상 중간자를 통해 핵에서 중성자와 양성자를 묶어준다.
• 약한 핵력: 가상 W 및 Z 보손의 교환으로 발생한다.
• 기타 현상:
• 자발적 방출: 들뜬 원자나 핵이 붕괴하며 광자를 방출하는 현상으로, 전자기장의 양자화로 설명된다.
• 카시미르 효과: 양자화된 전자기장의 바닥 상태가 전하를 띠지 않는 금속판 사이에 인력을 유발하는 현상이다.
• 반 데르 발스 힘: 두 원자 사이의 카시미르 효과와 부분적으로 관련 있다.
• 진공 편극: 쌍 생성 또는 진공의 붕괴를 포함하며, 입자-반입자 쌍(예: 전자-양전자)이 자발적으로 생성되는 현상이다.
• 람 시프트: 원자 에너지 준위 위치가 미세하게 이동하는 현상이다.
• 자유 공간의 임피던스: 전기장 세기와 자기장 세기 사이의 비율을 정의한다.
• 안테나 근거리장: 안테나 근처에서 가상 광자는 자기 유도 및 전기 쌍극자 효과에 기여하며, 이는 실제 광자와 섞여 전자기파의 세기를 변화시킨다.

4. 파인만 다이어그램

파인만 다이어그램은 산란 진폭 계산을 시각적으로 표현하는 방법이다. 파인만 다이어그램에서 실제 입자는 실선, 가상 입자는 점선 또는 물결선으로 표현된다.^[5]

5. 진공

엄밀한 의미에서 입자는 입자 소멸 연산자 ''a''와 입자 생성 연산자 ''a''^† (때로는 통칭하여 사다리 연산자라고 함)를 사용하여 입자 수 연산자 ''a''^†''a''의 고유 상태로 간주된다. 많은 경우, 입자 수 연산자는 시스템의 해밀토니안과 교환하지 않는다. 이는 공간 영역 내 입자 수가 잘 정의된 양이 아니라 다른 양자 관측 가능량과 마찬가지로 확률 분포로 표현됨을 의미한다. 이러한 입자는 확실히 존재한다고 할 수 없기 때문에, 이를 진공 에너지의 ''가상 입자'' 또는 ''진공 요동''이라고 부른다. 어떤 의미에서, 이것은 시간-에너지 불확정성 원리가 진공에서 나타나는 현상으로 이해할 수 있다.^[12]

진공에서 가상 입자의 "존재"에 대한 중요한 예는 카시미르 효과이다.^[13] 여기에서, 이 효과에 대한 설명은 진공 내 모든 가상 입자의 총 에너지를 합산해야 한다. 따라서 가상 입자 자체는 실험실에서 직접 관찰할 수 없지만, 관찰 가능한 효과를 남긴다. 즉, 그들의 영점 에너지는 적절하게 배치된 금속판 또는 유전체에 작용하는 힘을 발생시킨다.^[14] 한편, 카시미르 효과는 상대론적 반 데르 발스 힘으로 해석될 수 있다.^[15]

6. 쌍생성

가상 입자는 흔히 모든 종류의 기본 입자와 반입자 쌍으로 나타난다고 알려져 있다. 이러한 쌍은 매우 짧은 시간 동안 존재하며 서로 소멸한다. 하지만 외부 에너지를 사용하여 쌍을 분리하면 소멸을 막고 실제 입자가 되게 할 수 있다.

이는 두 가지 방식으로 발생할 수 있다. 가속 좌표계에서 가상 입자는 가속하는 관찰자에게 실제 입자로 보일 수 있는데, 이것을 언루 효과라고 한다. 간단히 말해, 정지 좌표계의 진공은 가속하는 관찰자에게 실제 입자의 따뜻한 기체가 열역학적 평형을 이루는 것처럼 보인다.

또 다른 예는 매우 강한 전기장 내에서의 쌍생성으로, 때로는 진공 붕괴라고 불린다. 예를 들어, 한 쌍의 원자핵이 융합되어 전하가 약 140보다 큰 핵을 매우 짧은 시간 동안 형성하는 경우(즉, 미세 구조 상수의 역수보다 큰 경우. 이는 무차원량이다) 전기장의 세기는 진공 또는 디랙 바다에서 양전자-전자 쌍을 생성하는 것이 에너지적으로 유리하게 된다. 이때 전자는 핵에 끌려 양전하를 소멸시킨다. 이러한 쌍 생성 진폭은 1951년 줄리안 슈윙거에 의해 처음 계산되었다.

7. 실제 입자와의 비교

실제 입자는 에너지-운동량 관계를 따르지만, 가상 입자는 이 관계를 정확하게 따르지 않는다.^[5][6] 가상 입자의 운동 에너지는 속도와 일반적인 관계를 가지지 않을 수 있으며, 음수가 될 수도 있다.^[6] 이러한 특성은 ''오프 질량 쉘''이라는 용어로 표현된다.^[5]

실제 광자는 질량이 없고 두 개의 편광 상태만 가지는 반면, 가상 광자는 질량을 가지는 것처럼 작용하여 세 개의 편광 상태를 가진다. 가상 입자가 존재할 확률 진폭은 더 긴 거리와 시간에서 상쇄 간섭에 의해 상쇄되는 경향이 있기 때문이다.

양자 터널링은 가상 입자 교환 현상으로 간주될 수 있다.^[7] 에너지와 시간을 공액 변수로 간주하는 불확정성 원리에 의해 가상 입자가 전달하는 힘의 범위가 제한되며, 질량이 큰 가상 입자일수록 그 범위는 더 제한된다.^[8]

물리학 방정식의 일반적인 수학적 표기법에서는 가상 입자와 실제 입자를 명시적으로 구분하지 않는다. 가상 입자가 포함된 과정의 진폭은 가상 입자가 없는 과정의 진폭과 간섭하지만, 실제 입자의 경우 존재와 비존재 상태는 서로 일관성을 잃고 더 이상 간섭하지 않는다.

양자장론에서 실제 입자는 근본적인 양자장의 감지 가능한 여기(excitation)로 간주된다. 반면 가상 입자는 근본적인 장의 여기로 간주되지만, 감지 가능한 입자가 아닌 힘으로만 나타난다. 가상 입자는 계산 과정에 나타나지만 단일 입자로는 감지되지 않는 "임시적인" 존재이다. 따라서 산란 행렬의 지수로 나타나지 않으며, 이는 모델링되는 물리적 과정에서 관찰 가능한 입력 및 출력으로 나타나지 않음을 의미한다.

실제 입자의 수명은 일반적으로 가상 입자의 수명보다 훨씬 길다. 전자기 방사는 방출기와 흡수기 사이를 광년 동안 이동할 수 있는 실제 광자로 구성되지만, (쿨롱) 정전기력은 가상 광자 교환의 결과로 나타나는 비교적 짧은 거리의 힘이다.

참조

_[1] 서적 Introduction to Elementary Particles John Wiley & Sons
_[2] 서적 An Introduction to Quantum Field Theory Westview Press
_[3] 서적 Quantum Field Theory John Wiley & Sons
_[4] 논문 Are virtual particles less real? http://philsci-archi[...] 2019
_[5] 서적 Modern particle physics Cambridge University Press 2013
_[6] 서적 A brief history of time Bantam Books 1998
_[7] 서적 The new quantum universe Cambridge Univ. Press 2004
_[8] 서적 Superstrings and other things : a guide to physics CRC Press/Taylor & Francis 2010
_[9] 뉴스 Ephemeral vacuum particles induce speed-of-light fluctuations https://phys.org/new[...] 2017-07-24
_[10] 논문 On virtual phonons, photons, and electrons
_[11] 논문 Evanescent modes are virtual photons
_[12] 서적 A radically modern approach to introductory physics: volume 2: four forces http://kestrel.nmt.e[...] New Mexico Tech Press 2012
_[13] 논문 A vacuum can yield flashes of light http://www.nature.co[...] 2015-08-02
_[14] 논문 The Casimir effect: a force from nothing 2002-09
_[15] 논문 Casimir effect and the quantum vacuum 2005-07-12