आभासी कण: Difference between revisions

{{Short description|Transient quantum fluctuation (physics)}}एक आभासी कण एक सैद्धांतिक क्षणिक कण है जो एक साधारण कण की कुछ विशेषताओं को प्रदर्शित करता है, जबकि इसका अस्तित्व अनिश्चितता सिद्धांत द्वारा सीमित होता है। आभासी कणों की अवधारणा क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत के क्षोभ सिद्धांत में उत्पन्न होती है, जहां सामान्य कणों के बीच की वार्तालाप को आभासी कणों के आदान-प्रदान के संदर्भ में वर्णित किया जाता है। इसी प्रकार आभासी कणों से जुड़ी एक प्रक्रिया को एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व द्वारा वर्णित किया जा सकता है, जिसे फेनमैन आरेख के रूप में जाना जाता है, जिसमें आभासी कणों को आंतरिक रेखाओं द्वारा दर्शाया जाता है।<ref>Peskin, M.E., Schroeder, D.V. (1995). ''An Introduction to Quantum Field Theory'', Westview Press, {{ISBN|0-201-50397-2}}, p. 80.</ref><ref>Mandl, F., Shaw, G. (1984/2002). ''Quantum Field Theory'', John Wiley & Sons, Chichester UK, revised edition, {{ISBN|0-471-94186-7}}, pp. 56, 176.</ref>

आभासी कणों का आवश्यक रूप से द्रव्यमान संबंधित वास्तविक कण के सामान्य होना जरूरी नहीं है, चूंकि वे निरंतर ऊर्जा और गति को संरक्षित करते हैं। इसकी विशेषताएँ साधारण कणों के जितने निकट होती हैं, आभासी कण उतने ही लंबे समय तक उपस्थित रहते हैं। वे कण बिखरने और कासिमिर बलों सहित कई प्रक्रियाओं के भौतिकी में महत्वपूर्ण हैं। क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत में, दो आवेशों के बीच विद्युत चुम्बकीय प्रतिकर्षण या इसके अतिरिक्त आकर्षण जैसे बलों को आवेशों के बीच आभासी फोटॉनों के आदान-प्रदान के कारण माना जा सकता है। इसी प्रकार आभासी फोटॉन विद्युत चुंबकत्व के लिए विनिमय कण हैं।

यह शब्द कुछ हद तक ढीला और अस्पष्ट रूप से परिभाषित है, जिसमें यह इस दृष्टिकोण को संदर्भित करता है कि दुनिया वास्तविक कणों से बनी है। वास्तविक कणों को अंतर्निहित क्वांटम क्षेत्रों के उत्तेजना के रूप में उत्तम समझा जाता है। आभासी कण भी अंतर्निहित क्षेत्रों के उत्तेजना हैं, लेकिन इस अर्थ में अस्थायी हैं कि वे वार्तालाप की गणना में प्रकट होते हैं, लेकिन कभी भी एसिम्प्टोटिक स्टेट्स या स्कैटरिंग मैट्रिक्स के सूचकांक के रूप में नहीं होते हैं। इसी प्रकार गणना में आभासी कणों की उपयुक्ता और उपयोग दृढ़ता से स्थापित है, लेकिन जैसा कि प्रयोगों में उनका पता नहीं लगाया जा सकता है। इसके अतिरिक्त यह तय करना कि उनका उपयुक्त वर्णन कैसे किया जाए, यह वार्तालाप का विषय है।<ref>{{cite journal|last1=Jaeger|first1=Gregg|title=Are virtual particles less real?|journal=Entropy |volume=21 |issue=2|page=141|date=2019|doi=10.3390/e21020141|pmc=7514619|bibcode=2019Entrp..21..141J|url=http://philsci-archive.pitt.edu/15858/1/Jaeger%20Are%20Virtual%20Particles%20Less%20Real_%20entropy-21-00141-v3.pdf|doi-access=free}}</ref> चूंकि यह व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, वे किसी भी प्रकार से क्यूएफटी की एक आवश्यक विशेषता नहीं हैं, अपितु गणितीय उपयुक्ताएं हैं - जैसा कि जाली क्षेत्र सिद्धांत द्वारा प्रदर्शित किया गया है, जो की पूरे प्रकार से अवधारणा को उपयोग करने से बचता है।

आभासी कणों की अवधारणा क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत के क्षोभ सिद्धांत (क्वांटम यांत्रिकी) में उत्पन्न होती है, एक अनुमान योजना जिसमें वास्तविक कणों के बीच वार्तालाप (संक्षेप में, बलों) की गणना आभासी कणों के आदान-प्रदान के संदर्भ में की जाती है। इस प्रकार की गणना अधिकांशतः फेनमैन आरेख के रूप में ज्ञात योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व का उपयोग करके की जाती है, जिसमें आभासी कण आंतरिक रेखाओं के रूप में दिखाई देते हैं। चार-गति के साथ एक आभासी कण के आदान-प्रदान के संदर्भ में वार्तालाप को {{mvar|q}} व्यक्त करके, जहाँ पे {{mvar|q}} अन्योन्यक्रिया शीर्ष् में प्रवेश करने और छोड़ने वाले कणों के चार-मोमेंट के बीच अंतर द्वारा दिया जाता है। फेनमैन आरेख के अंतःक्रियात्मक शिखर पर गति और ऊर्जा दोनों संरक्षित होते हैं।<ref name=Thomson>{{cite book|last1=Thomson|first1=Mark|title=Modern particle physics|date=2013|publisher=Cambridge University Press|location=Cambridge|isbn=978-1107034266}}</ref>{{rp|119}}

एक आभासी कण {{math|''m''²''c''⁴ {{=}} ''E''² − ''p''²''c''²}} ऊर्जा-गति संबंध का ठीक-ठीक पालन नहीं करता है। इसकी गतिज ऊर्जा का वेग से सामान्य संबंध नहीं हो सकता है। इसके अतिरक्त यह नकारात्मक हो सकता है।<ref>{{cite book|last1=Hawking|first1=Stephen|title=A brief history of time|date=1998|publisher=Bantam Books|location=New York|isbn=9780553896923|edition=Updated and expanded tenth anniversary}}</ref>{{rp|110}} यह ऑन शेल और ऑफ शेल वाक्यांश द्वारा व्यक्त किया गया है।<ref name="Thomson" />{{rp|119}} इसी प्रकार एक आभासी कण के अस्तित्व में आने की संभावना आयाम लंबी दूरी और समय पर विनाशकारी हस्तक्षेप से रद्द हो जाता है। एक परिणाम के रूप में, एक वास्तविक फोटॉन द्रव्यमान रहित होता है, और इस प्रकार इसमें केवल दो ध्रुवीकरण अवस्थाएँ होती हैं, जबकि एक आभासी प्रभावी रूप से बड़े पैमाने पर होने के कारण, तीन ध्रुवीकरण अवस्थाएँ होती हैं।

आधुनिक भौतिकी में आभासी कणों की धारणा दो प्रमुख विधियों से प्रकट होती है। वे फेनमैन आरेखों में मध्यवर्ती शब्दों के रूप में दिखाई देते हैं; अर्थात्, एक विक्षुब्ध गणना में शर्तों के रूप में वे अर्ध-गैर-क्षोभ प्रभाव की गणना में सारांशित या एकीकृत किए जाने वाले स्टेट्स के एक अनंत समूह के रूप में भी दिखाई देते हैं। इसके पश्चात की स्थितियों में, कभी-कभी यह कहा जाता है कि आभासी कण एक तंत्र में योगदान करते हैं। जो प्रभाव की मध्यस्थता करता है, या यह कि प्रभाव आभासी कणों के माध्यम से होता है।<ref name="Thomson" />{{rp|118}}

ऐसी कई अवलोकनीय भौतिक घटनाएं हैं, जो आभासी कणों से जुड़ी अंतःक्रियाओं में उत्पन्न होती हैं। बोसोनिक कणों के लिए जो स्वतंत्र और वास्तविक होने पर विराम द्रव्यमान प्रदर्शित करते हैं, आभासी अंतःक्रियाओं को कण विनिमय द्वारा उत्पादित बल अंतःक्रिया की अपेक्षाकृत कम सीमा की विशेषता होती है। परिरोधन से छोटी सीमा भी हो सकती है। ऐसी कम दूरी की अंतःक्रियाओं के उदाहरण मजबूत और कमजोर ताकतें और उनके संबंधित क्षेत्र बोसॉन हैं।

गुरुत्वाकर्षण और विद्युत चुम्बकीय बलों के लिए, संबंधित बोसॉन कण का शून्य विराम-द्रव्यमान आभासी कणों द्वारा लंबी दूरी की ताकतों को मध्यस्थ होने की अनुमति देता है। चूंकि, फोटॉन की स्थिति में, आभासी कणों द्वारा शक्ति और सूचना हस्तांतरण एक अपेक्षाकृत कम दूरी की घटना है, (केवल क्षेत्र-अशांति के कुछ तरंग दैर्ध्य के भीतर उपस्थित है, जो सूचना या स्थानांतरित शक्ति को वहन करती है), उदाहरण के लिए, कॉइल्स और एंटेना के निकट क्षेत्र आगमनात्मक और धारिता प्रभावों को क्षेत्र में विशिष्ट रूप से छोटी सीमा में देखा जाता है।

* विद्युतचुंबकीय प्रेरण, यह घटना एक बदलते (इलेक्ट्रो) चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से एक चुंबकीय कुंडल से ऊर्जा को स्थानांतरित करती है।

* वैन डर वाल्स बल, जो आंशिक रूप से दो परमाणुओं के बीच कासिमिर प्रभाव के कारण होता है।

* परमाणु स्तरों की स्थिति में परिवर्तन के कारण होता है।

* रेडियो एंटेना के तथाकथित निकट और दूर के क्षेत्र में से अधिकांश, जहां एंटीना तार में परिवर्तित धारा के चुंबकीय और विद्युत प्रभाव और तार के धारिता चार्ज के चार्ज प्रभाव महत्वपूर्ण हो सकते हैं (और सामान्यतः हैं) स्रोत के निकट कुल ईएम क्षेत्र में योगदानकर्ता, लेकिन दोनों प्रभाव द्विध्रुवीय प्रभाव हैं जो एंटीना से बढ़ती दूरी के साथ क्षय होते हैं जो पारंपरिक विद्युत चुम्बकीय तरंगों के प्रभाव से बहुत अधिक तेजी से होते हैं जो स्रोत से दूर होते हैं।{{efn|"Far" in terms of ratio of antenna length or diameter, to wavelength.}} ये दूर-दराज की लहरें, जिनके लिए {{mvar|cB}} (लंबी दूरी की सीमा में) {{mvar|E}} के समतुल्य है, वास्तविक फोटॉन से बने होते हैं। वास्तविक और आभासी फोटॉन एक एंटीना के निकट मिश्रित होते हैं, आभासी फोटॉन केवल अतिरिक्त चुंबकीय-प्रेरक और क्षणिक विद्युत-द्विध्रुवीय प्रभावों के लिए जिम्मेदार होते हैं, जो दोनों के बीच किसी भी असंतुलन का कारण बनते हैं। {{mvar|E}} तथा {{mvar|cB}} जैसे-जैसे ऐन्टेना से दूरी बढ़ती है, निकट-क्षेत्र प्रभाव (द्विध्रुवीय क्षेत्रों के रूप में) अधिक तेज़ी से समाप्त हो जाते हैं, और केवल वास्तविक फोटॉन के कारण होने वाले विकिरण प्रभाव ही महत्वपूर्ण प्रभाव बने रहते हैं। यद्यपि आभासी प्रभाव अनंत तक विस्तारित होते हैं, वे वास्तविक फोटॉनों से बने ईएम तरंगों के क्षेत्र के अतिरिक्त {{math|{{frac|1|''r''{{sup|2}}}}}} के रूप में क्षेत्र की ताकत में गिरावट करते हैं, जो {{math|{{frac|1|''r''}}}} में गिरते हैं।{{efn|The electrical power in the fields, respectively, decrease as {{math|{{frac|1|''r''{{sup|4}}}}}} तथा {{math|{{frac|1|''r''{{sup|2}}}}}}.}}{{efn|See [[near and far field]] for a more detailed discussion. See [[near field communication]] for practical communications applications of near fields.}}

इनमें से अधिकांश का ठोस-अवस्था भौतिकी में सामान्य प्रभाव पड़ता है; वास्तव में, अधिकांशतः इन स्थितियों की जांच करके एक उत्तम सहज ज्ञान युक्त समझ प्राप्त की जा सकती है। अर्धचालकों में, तथा क्षेत्र सिद्धांत में इलेक्ट्रॉनों, पॉज़िट्रॉन और फोटॉन की भूमिकाओं को चालन बैंड में इलेक्ट्रॉनों द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है, वैलेंस बैंड में छेद, और क्रिस्टल जाली के फोनन या कंपन एक आभासी कण दो-फोटॉन अवशोषण में होता है जहां संभाव्यता आयाम संरक्षित नहीं होता है। टनलिंग प्रक्रिया की स्थिति में मैक्रोस्कोपिक आभासी फोनन, फोटॉन और इलेक्ट्रॉनों के उदाहरण गुंटर निम्ट्ज़ और अल्फोंस ए स्टालहोफेन द्वारा प्रस्तुत किए जाते है।<ref name=Nimtz1>{{cite journal |first=G. |last=Nimtz |year=2009 |title=On virtual phonons, photons, and electrons |journal=Found. Phys. |volume=39 |issue=12 |pages=1346–1355|doi=10.1007/s10701-009-9356-z |arxiv=0907.1611 |bibcode=2009FoPh...39.1346N |s2cid=118594121 }}</ref><ref name=Nimtz2>{{cite journal |first1=A. |last1=Stahlhofen |first2=G. |last2=Nimtz |year=2006 |title=Evanescent modes are virtual photons |journal=Europhys. Lett. |volume=76 |issue=2 |page=198|doi=10.1209/epl/i2006-10271-9 |bibcode=2006EL.....76..189S }}</ref>

निकटवर्ती छवि में, ठोस रेखाएँ वास्तविक कणों (संवेग p1 इत्यादि) से मेल खाती हैं, जबकि बिंदीदार रेखा गति k ले जाने वाले एक आभासी कण से मेल खाती है। उदाहरण के लिए, यदि ठोस रेखाएं विद्युतचुंबकीय अन्योन्यक्रिया के माध्यम से वार्तालाप करने वाले इलेक्ट्रॉनों के अनुरूप होती हैं, तो बिंदीदार रेखा आभासी फोटॉन के आदान-प्रदान के अनुरूप होती है। इसी प्रकार परस्पर क्रिया करने वाले नाभिकों की स्थिति में, बिंदीदार रेखा एक आभासी पायन होती है। मजबूत बल के माध्यम से वार्तालाप करने वाले क्वार्क की स्थिति में, बिंदीदार रेखा एक आभासी ग्लूऑन होती है, और इसी प्रकार यह सब बनी होती है।

औपचारिक शब्दों में, एक कण को कण संख्या संचालिका a^†a का एक प्रतिरूप माना जाता है, जहां a कण विनाश संचालिका है और a^† कण निर्माण संचालिका है (कभी-कभी सामूहिक रूप से इसे सीढ़ी संचालिका भी कहा जाता है)। कई स्थितियों में, कण संख्या ऑपरेटर सिस्टम के लिए हैमिल्टनियन (क्वांटम यांत्रिकी) के साथ आवागमन नहीं करता है। इसका तात्पर्य यह है कि अंतरिक्ष के किसी क्षेत्र में कणों की संख्या एक अच्छे प्रकार से परिभाषित मात्रा में नहीं है, अपितु अन्य क्वांटम अवलोकनों के जैसे, संभाव्यता वितरण द्वारा दर्शायी जाती है। चूँकि इन कणों का अस्तित्व निश्चित नहीं है, इसलिए इन्हें आभासी कण या निर्वात ऊर्जा का निर्वात उच्चावचन कहा जाता है। एक निश्चित अर्थ में, उन्हें शून्य में समय-ऊर्जा अनिश्चितता सिद्धांत की अभिव्यक्ति के रूप में समझा जा सकता है।<ref>{{cite book|last1=Raymond|first1=David J.|title=A radically modern approach to introductory physics: volume 2: four forces|date=2012|publisher=New Mexico Tech Press|location=Socorro, NM|isbn=978-0-98303-946-4|pages=252&ndash;254|url=http://kestrel.nmt.edu/~raymond/books/radphys/book2/book2.html#x1-2100014.7}}</ref>

इसी प्रकार निर्वात में आभासी कणों की उपस्थिति का एक महत्वपूर्ण उदाहरण कासिमिर प्रभाव है।<ref>{{cite journal|last1=Choi|first1=Charles Q.|title=A vacuum can yield flashes of light|journal=Nature|date=13 February 2013|doi=10.1038/nature.2013.12430|s2cid=124394711|url=http://www.nature.com/news/a-vacuum-can-yield-flashes-of-light-1.12430|access-date=2 August 2015}}</ref> यहां, ये प्रभाव की व्याख्या के लिए आवश्यक है कि निर्वात में सभी आभासी कणों की कुल ऊर्जा को एक साथ जोड़ा जा सकता है। इस प्रकार, यद्यपि आभासी कण स्वयं प्रयोगशाला में प्रत्यक्ष रूप से देखने योग्य नहीं होते हैं, वे एक अवलोकनीय प्रभाव छोड़ते हैं: उनकी शून्य-बिंदु ऊर्जा के परिणामस्वरूप उपयुक्त रूप से व्यवस्थित धातु प्लेटों या डाइलेक्ट्रिक्स पर कार्य करने वाले बल उत्पन्न होते हैं।<ref>{{cite journal|last1=Lambrecht|first1=Astrid|title=The Casimir effect: a force from nothing|journal=Physics World|date=September 2002|volume=15|issue=9|pages=29&ndash;32|doi=10.1088/2058-7058/15/9/29}}</ref> दूसरी ओर, कासिमिर प्रभाव की व्याख्या कासिमिर प्रभाव रिलेटिविस्टिक वैन डेर वाल्स बल के रूप में की जा सकती है।<ref>{{cite journal|last1=Jaffe|first1=R. L.|title=Casimir effect and the quantum vacuum|journal=Physical Review D|date=12 July 2005|volume=72|issue=2|pages=021301|doi=10.1103/PhysRevD.72.021301|arxiv = hep-th/0503158 |bibcode = 2005PhRvD..72b1301J |s2cid=13171179}}</ref>

एक अन्य उदाहरण बहुत मजबूत विद्युत क्षेत्रों में युग्म उत्पादन है, जिसे कभी-कभी वैक्यूम क्षय भी कहा जाता है। यदि, उदाहरण के लिए, परमाणु नाभिक की एक जोड़ी को बहुत संक्षेप में विलय कर दिया जाता है, जिससे वो लगभग 140 से अधिक चार्ज वाला एक नाभिक बन जाता है, (अर्थात, सूक्ष्म संरचना स्थिरांक के व्युत्क्रम से बड़ा, जो एक आयामहीन मात्रा है), तो विद्युत क्षेत्र की ताकत ऐसी होगी कि यह निर्वात या डिराक सागर से पॉज़िट्रॉन-इलेक्ट्रॉन जोड़े बनाने के लिए ऊर्जावान रूप से अनुकूल होता है, जिसमें इलेक्ट्रॉन सकारात्मक चार्ज को नष्ट करने के लिए नाभिक की ओर आकर्षित हो जाता है। इस जोड़ी-निर्माण आयाम की गणना पहली बार 1951 में जूलियन श्विंगर द्वारा की गई थी।