ŠTO SU VIRTUALNE ČESTICE?

Send

Ponekad u svojim člancima pronađem slabo mjesto na temelju e-poruka i komentara koje dobivaju.

Jedan od popularnih članaka koji smo napravili odnosi se na spoznaju Stephena Hawkinga da crne rupe moraju isparavati tijekom dugog vremenskog razdoblja. Razgovarali smo o mehanizmu i spomenuli kako postoje ove virtualne čestice koje se pojavljuju i izviru iz njih.

Te se čestice obično uništavaju, ali na rubu horizonta crne rupe jedna čestica pada unutra, dok je druga slobodna lutati kosmosom. Budući da ne možete stvoriti čestice ni iz čega, crna rupa mora žrtvovati malo sebe kako bi kupila slobodu ove novostvorene čestice.

Ali moj kratki članak nije bio dovoljan da pojasnim što su zapravo virtualne čestice. Jasno, svi ste željeli više informacija. Što su oni? Kako se otkrivaju? Što to znači za crne rupe?

U situacijama poput ove, kad znam da nas stvarna policija fizike gleda, volim zvati zvono. Još jednom, vratit ću se natrag i razgovarati sa svojim dobrim prijateljem i stvarnim radnim astrofizičara, dr. Paul Mattom Sutterom. Napisao je radove na teme poput Bayesove analize kozmičke zore i MHD simulacije magnetskih odljeva. Stvarno zna svoje stvari.

Fraser Cain:
Hej Paul, prvo pitanje: Što su virtualne čestice?

Paul Matt Sutter:
U redu. Nema pritiska, Fraser. U redu u redu.

Da biste dobili koncept virtualnih čestica, zapravo morate napraviti korak unatrag i razmisliti o polju, posebno elektromagnetskom polju. U našem trenutnom prikazu kako svemir djeluje čitav prostor i vrijeme je ispunjeno ovakvim pozadinskim poljem. I ovo polje se može ljuljati i kolebati naokolo, a ponekad su te vibracije i volovi poput valova koji se šire prema naprijed, a te valove nazivamo fotonima ili elektromagnetskim zračenjem, ali ponekad to može samo sjediti i znate da se sputavaju krpelji, samo znate pop dizati unutra i van, ili gore i dolje, i nekako kuhati sve samostalno.

Zapravo, cijelo vrijeme prostor nekako vrti / luta po ovom polju čak i u vakuumu. Usisavanje nije odsutnost svega. Vakuum je upravo tamo gdje je ovo polje u svom najnižem energetskom stanju. Ali iako je u onom stanju s najnižom energijom, iako možda tamo u prosjeku nema ništa. Ništa ga ne sprečava da se samo pukne cvjetni ogrtač za koji znate s bubuljicama.

U stvari, vakuum nekako vre s ovim poljima. Konkretno o elektromagnetskom polju o kojem upravo sada govorimo.

A znamo da se fotoni, ta svjetlost, mogu pretvoriti u parove čestica, antičestice. Može se pretvoriti u reći elektrona i pozitrona. To samo može učiniti. Može se dogoditi sa normalnim fotonima, a može se dogoditi i s tim vrstama privremenih krhotinih fotona.

Dakle, ponekad se foton ili ponekad elektromagnetsko polje može širiti s jednog mjesta na drugo, a mi to nazivamo fotonom. I taj se foton može odvojiti u pozitroni i elektron, a drugi puta može samo obrisati titranje na mjestu i onda izbrisati titranje POP POP-om. Ona iskače u pozitron i elektron, a zatim se sudaraju jedno u drugo ili što god drugo, a oni se tek povuku natrag. Znači, kolebanje zamah, pop pop, fizz fizz je vrsta onoga što se događa u vakuumu stalno, a to je naziv koji ovim virtualnim česticama dajemo normalnu vrstu pozadinske fuge ili pozadinske statike u vakuumu.

Fraser:
U redu. Pa kako vidimo dokaze za virtualne čestice?

Pavao:
Da, veliko pitanje. Znamo da vakuum ima povezanu energiju. Znamo da se ove virtualne čestice iz nekoliko razloga uvijek uklapaju i izlaze iz njih.

Jedan je prijelaz elektrona u različitim stanjima atoma. Ako uzbudite atom, elektron će iskočiti u stanje više energije. Ne postoji nikakav razlog da se taj elektron ponovno spusti u stanje niže energije. Već je tamo. Zapravo je stabilno stanje. Nema razloga za to da ode, osim ako u elektromagnetskom polju nema male titraje i može se gibati oko tog elektrona i izbaciti ga iz tog višeg energetskog stanja i poslati ga da padne u niže stanje

Druga stvar se naziva Lamb Shift, a to je kada treperavo magnetsko polje ili virtualne čestice ponovno djeluju s elektronima, na primjer atomom vodika. Može ih lagano pomicati, a ovaj pomak djeluje na neka stanja elektrona, a ne na druga stanja. A zapravo postoje stanja za koja biste rekli da imaju potpuno ista energetska svojstva, oni su jednostavno identična, ali zato što Jaganjčeva smjena, zbog ovog maglovitog magnetskog polja, djeluje u interakciji s jednim od tih stanja, a ne s drugim, zapravo suptilno mijenja energetske razine tih stanja iako biste očekivali da su potpuno ista.

A drugi dokaz je da se u fotonskom raspršivanju fotona obično dva fotona lete jedan na drugi. Električno su neutralni, tako da nemaju razloga za međusobnu interakciju, ali ponekad fotoni mogu mijenjati vibracije u recimo parove elektrona / pozitrona, a taj par elektrona / pozitrona može komunicirati s ostalim fotonima. Tako ponekad odskaču jedni od drugih. To je vrlo rijetko jer morate pričekati da se titranje titraja dogodi u pravo vrijeme, ali može se dogoditi.

Fraser:
Pa kako oni komuniciraju s crnim rupama?

Pavao:
U redu, u tome je srž stvari. Kakve sve ove virtualne čestice ili maglovito elektromagnetska polja imaju veze s crnim rupama, a posebno Hawkingovim zračenjem? Ali provjerite ovo. Hawkings originalna formulacija ove ideje da crne rupe mogu zračiti i izgubiti masu zapravo nema nikakve veze s virtualnim česticama. Ili ne govori izravno o virtualnim parovima čestica, a zapravo niti jedne druge formulacije ili modernije koncepcije ovog postupka ne govore o virtualnim parovima čestica.

Umjesto toga, oni razgovaraju više o samom polju i konkretno o onome što se događa na polju prije nego što se pojavi crna rupa, što se događa s njom dok se formira crna rupa, a zatim o onome što se događa s poljem nakon što se formira. I nekako postavlja pitanje: Što se događa s ovim blještavim bitovima polja, poput prelazne vrste ključanja u vakuumu elektromagnetskog polja? Što se događa s tim kad se formira crna rupa?

Pa, ono što se događa je da se neki blještavi blještavi bljeskovi jednostavno uhvate u blizini crne rupe, blizu horizonta događaja kako se formira, i tamo provode dugo vremena, a na kraju ipak pobjegnu. Dakle, treba proći neko vrijeme, ali kad pobjegnu zbog tamošnje intenzivne zakrivljenosti, intenzivne zakrivljenosti prostora-vremena, mogu se pojačati ili promovirati. Stoga, umjesto da privremeno mogu biti pokretljivi, na terenu se pojačavaju da postanu "stvarne" čestice ili "stvarni" fotoni. Dakle, to je doista poput interakcije stvaranja same crne rupe s blještavim pozadinskim poljem, koje na kraju pobjegne jer crna rupa nije baš zarobljena.

Na kraju ona pobjegne i pretvara se u prave čestice, a možete izračunati kao što se događa s recimo očekivanim brojem čestica blizu horizonta događaja crne rupe. Odgovor je negativan broj, što znači da crna rupa gubi masu i izlijeva čestice.

Sada ova popularna koncepcija virtualnih parova čestica iskače u postojanje i jedna se zahvaća unutar horizonta događaja. To nije baš povezano s matematikom Hawkingove radijacije, ali nije ni pogrešno. Upamtite da treperi u elektromagnetskom polju odnose se na ove parove čestica i anti čestica koje neprestano iskaču i izlaze iz postojanja. Oni nekako idu ruku pod ruku. Dakle, govoreći o kolebljivo mahnitama na terenu, također nekako govorite o proizvodnji virtualnih čestica. I nije baš matematika, ali znate dovoljno blizu.

Fraser:
Ok, i na kraju, Paul. Trebam te da samo nasumično razneseš misli gledatelja. Nešto o virtualnim česticama što je jednostavno zadivljujuće!

Pavao:
U redu. Znači, želite savijati pamet ljudi? U redu. Ovo sam spremao za posljednji. Nešto sočno, samo za tebe, Fraser.

Pogledajte ovo, još jedan je veliki dokaz o postojanju ovih fluktuacija pozadine i postojanju virtualnih čestica, a to je nešto što nazivamo Casimirov efekt ili Casimir Force.

Uzmete dvije neutralne metalne ploče, a ono što se događa je da ovo polje koje prožima sav prostor-vrijeme, nalazi se unutar ploča i nalazi se izvan ploča. Unutar ploča možete imati samo određene valne duljine načina. Skoro kao da truba trube može imati samo određene načine koji stvaraju zvuk. Krajevi valnih duljina moraju se povezati s pločama, jer to metalne ploče čine elektromagnetskim poljima.

Izvan ploča možete imati bilo koju valnu duljinu koju želite. Nije važno.

Dakle, izvan ploča imate beskonačan broj mogućih valnih duljina modova. Postoje svaka vrsta kolebanja, kolebanja u elektromagnetskom polju, ali unutar ploča postoje samo određene valne duljine koje se mogu uklopiti unutar ploča.

Sada vani postoji beskonačni broj modova. Iznutra je još uvijek beskonačan broj modova, tek nešto manji beskonačni broj modova. A možete uzeti beskonačnost izvana i oduzeti beskonačnu beskonačnost iznutra, i zapravo dobiti konačan broj, a ono što na kraju završite je pritisak ili sila koja spaja ploče. I mi smo to zapravo izmjerili. To je prava stvar i da, ne šalim se oko toga, možete uzeti beskonačnost minus drugu beskonačnost i dobiti konačan broj. To je moguće. Jedan primjer je Euler Mascheroni Constant. Usudim se da to pogledate!

Evo te, nadam se da sada razumiješ što su ove virtualne čestice, kako su otkrivene i kako doprinose isparavanju crne rupe.

A ako već niste, kliknite ovdje i idite na njegov kanal. Naći ćete desetine videozapisa koji odgovaraju jednako važnim pitanjima. U stvari, pošaljite svoja pitanja i on će možda samo snimiti video i odgovoriti na njih.