Artykuł ten został pierwotnie opublikowany pod adresem Rozmowa. Publikacja przyczyniła się do powstania artykułu na stronie Space.com Głosy ekspertów: op-ed i spostrzeżenia.
Sprytne narzędzie matematyczne znane jako cząstki wirtualne odkrywa dziwne i tajemnicze wewnętrzne działanie cząstek subatomowych. To, co dzieje się z cząsteczkami w atomach, pozostałoby niewyjaśnione bez tego narzędzia. Obliczenia wykorzystujące cząstki wirtualne przewidują dziwaczne zachowanie cząstek subatomowych z tak niesamowitą dokładnością, że niektórzy naukowcy uważają, że „muszą one naprawdę istnieć”.
Cząstki wirtualne nie są rzeczywiste – tak mówi ich nazwa – ale jeśli chcesz zrozumieć, w jaki sposób rzeczywiste cząstki oddziałują na siebie, są one nieuniknione. Są niezbędnymi narzędziami do opisu trzech sił występujących w przyrodzie: elektromagnetyzmI silny I słaby nuklearny wojska.
Rzeczywiste cząstki to bryły energii, które można „zobaczyć” lub wykryć za pomocą odpowiednich instrumentów; ta cecha sprawia, że są one zauważalne lub rzeczywiste. Z drugiej strony cząstki wirtualne są wyrafinowanym narzędziem matematycznym i nie można ich zobaczyć. Fizyk Richard Feynman wynalazł je, aby opisać interakcje między rzeczywistymi cząstkami.
Jednak wielu fizyków nie jest przekonanych do tego okrojonego rozróżnienia. Chociaż badacze nie są w stanie wykryć tych wirtualnych cząstek, stanowią one narzędzia obliczeń przewidzieć wiele subtelnych efektów które ultraczułe eksperymenty potwierdziły z zadziwiającą dokładnością do 12 miejsc po przecinku. Ta precyzja jest jak mierzenie odległości między biegunem północnym i południowym z dokładnością większą niż szerokość pojedynczego włosa.
Ten poziom zgodności pomiędzy pomiarami i obliczeniami sprawia, że cząstki wirtualne są najdokładniej zweryfikowaną koncepcją w nauce. Zmusza to niektórych fizyków do zadania pytania: czy narzędzie matematyczne może stać się rzeczywistością?
Cząstki wirtualne są narzędziem używanym przez fizyków do obliczania działania sił w mikroskopijnym świecie subatomowym. Siły są rzeczywiste, ponieważ można je zmierzyć.
Zamiast jednak próbować bezpośrednio obliczać siły, fizycy stosują system księgowy, w którym siłę przenoszą krótkotrwałe cząstki wirtualne. Cząstki wirtualne nie tylko ułatwiają obliczenia, ale także rozwiązują długotrwały problem fizyki: jak siła działa w pustej przestrzeni?
Cząstki wirtualne wykorzystują naturalna niejasność świata subatomowegogdzie jeśli te efemeryczne cząstki żyją wystarczająco krótko, mogą również krótko pożyczają energię z pustej przestrzeni. Zamglenie bilansu energetycznego ukrywa tę krótką nierównowagęco pozwala cząstkom wirtualnym wpływać na świat rzeczywisty.
Dużą zaletą tego narzędzia jest to, że operacje matematyczne opisujące siły pomiędzy cząstkami można wizualizować w formie diagramów. Zwykle wyglądają jak animowane figurki przedstawiające cząsteczkowy ping-ponga, w który gra się wirtualnymi cząsteczkami. Diagramy – dubbingowane Diagramy Feynmana – oferują doskonałą intuicyjną oprawę, ale jednocześnie nadają wirtualnym cząstkom aurę rzeczywistości, która jest zwodnicza.
Co zaskakujące, ta metoda obliczeń oparta na wirtualnych cząstkach pozwala uzyskać jedne z najdokładniejszych przewidywań w całej nauce.
Kontrola rzeczywistości
Cała materia składa się z podstawowych elementów zwanych atomami. Atomy z kolei zbudowane są z małych dodatnio naładowane cząstki zwane protonami znalezione w ich rdzeniu, otoczone jeszcze mniejszymi cząstki naładowane ujemnie zwane elektronami.
Jako profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Stanowym Mississippiwykonuję eksperymenty, które często opierają się na założeniu, że elektrony i protony widoczne w naszych instrumentach oddziałują poprzez zamianę wirtualnych cząstek. Ja i moi koledzy niedawno zmierzyliśmy wielkość protonu bardzo precyzyjnie, poprzez bombardowanie atomów wodoru wiązką elektronów. Pomiar ten zakłada, że elektrony mogą „wyczuć” proton w środku atomu wodoru poprzez wymianę wirtualnych fotonów: cząstki energii elektromagnetycznej.
Fizycy wykorzystują wirtualne cząstki do obliczenia, w jaki sposób dwa elektrony odpychają się od siebie, z niezwykłą precyzją. Zaangażowane siły są reprezentowane jako skumulowany efekt dwóch elektronów wymieniających wirtualne fotony.
Kiedy dwie metalowe płytki zostaną umieszczone bardzo blisko siebie w próżni, przyciągają się nawzajem: jest to tzw Efekt Kazimierza. Fizycy mogą dokładnie obliczyć siłę, która przyciąga płyty do siebie, korzystając z matematyki cząstek wirtualnych. Niezależnie od tego, czy cząstki wirtualne rzeczywiście istnieją, czy nie, matematyka pozwala dokładnie przewidzieć, co badacze zaobserwują w prawdziwym świecie.
Jeszcze inną tajemniczą prognozą dokonaną przy użyciu zestawu narzędzi do wirtualnych cząstek jest tzw Promieniowanie Hawkinga. Kiedy wirtualne pary cząstek pojawiają się na krawędzi czarne dziury, czasami grawitacja czarnej dziury chwyta jednego partnera, podczas gdy drugi ucieka. Rozłam powoduje powolne wyparowywanie czarnej dziury. Chociaż promieniowanie Hawkinga nie zostało jeszcze bezpośrednio zaobserwowane, naukowcy niedawno to zrobili zaobserwowałem to pośrednio.
Przydatna fikcja
Wróćmy do pytania: Czy narzędzie matematyczne może stać się rzeczywistością? Jeśli możesz doskonale przewidzieć wszystko na temat siły, wyobrażając sobie, że jest ona przenoszona przez cząstki wirtualne, czy cząstki te kwalifikują się jako rzeczywiste? Czy ich fikcyjny status ma znaczenie?
Fizycy pozostają podzieleni w tej kwestii. Niektórzy wolą „po prostu zamknąć się i kalkulować” – jeden ze słynnych dowcipów Feynmana. Na razie cząstki wirtualne są naszym najlepszym sposobem na opisanie zachowania cząstek. Ale naukowcy się rozwijają metody alternatywne które w ogóle ich nie potrzebują.
Jeśli podejście to się powiedzie, mogą sprawić, że wirtualne cząstki znikną na dobre. Pomyślne czy nie, fakt, że w ogóle istnieją alternatywy, sugeruje, że wirtualne cząstki mogą być użyteczną fikcją, a nie fizyczną prawdą. Wpisuje się to także w schemat poprzednich rewolucji w nauce – przychodzi na myśl przykład eteru. Fizycy wynaleźli eter jako ośrodek, przez który rozchodzą się fale świetlne. Eksperymenty dobrze pasowały do obliczeń przy użyciu tego narzędzia, ale w rzeczywistości nie mogły go wykryć. Ostatecznie teoria względności Einsteina pokazała, że jest to niepotrzebne.
Cząstki wirtualne są uderzającym paradoksem współczesnej fizyki. Nie powinny istnieć, a jednak są niezbędne do obliczeń wszystkiego, od siły magnesów po zachowanie czarnych dziur. Stanowią głęboki dylemat: czasami najlepszy wgląd w rzeczywistość uzyskuje się dzięki starannie skonstruowanej iluzji. Ostatecznie zamieszanie wokół cząstek wirtualnych może być po prostu ceną za zrozumienie podstawowych sił.
Ten artykuł został ponownie opublikowany z Ton Rozmowa na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.
