|
Трюк физиков может лежать в основе реальности
|
|
|
|
Умный математический инструмент, известный как виртуальные частицы, раскрывает странную и таинственную внутреннюю работу субатомных частиц. То, что происходит с этими частицами внутри атомов, осталось бы необъяснимым без этого инструмента. Расчеты с использованием виртуальных частиц предсказывают причудливое поведение субатомных частиц с такой сверхъестественной точностью, что некоторые ученые считают, что "они должны действительно существовать".
|
|
|
|
Виртуальные частицы не являются реальными — это ясно из их названия, — но если вы хотите понять, как реальные частицы взаимодействуют друг с другом, они неизбежны. Они являются важными инструментами для описания трех взаимодействий, существующих в природе: электромагнетизма, а также сильного и слабого ядерных взаимодействий.
|
|
|
|
Реальные частицы - это сгустки энергии, которые можно "увидеть" или обнаружить с помощью соответствующих приборов; именно эта особенность делает их наблюдаемыми, или реальными. Виртуальные частицы, с другой стороны, являются сложным математическим инструментом, и их невозможно увидеть. Физик Ричард Фейнман изобрел их для описания взаимодействий между реальными частицами.
|
|
|
|
Но многих физиков это четкое различие не убеждает. Хотя исследователи не могут обнаружить эти виртуальные частицы, в качестве инструментов расчета они предсказывают множество тонких эффектов, которые подтверждаются сверхчувствительными экспериментами с точностью до 12 знаков после запятой. Эта точность подобна измерению расстояния между Северным и Южным полюсами с точностью, превышающей толщину волоса.
|
|
|
|
|
|
|
Такой уровень соответствия между измерениями и расчетами делает виртуальные частицы наиболее тщательно проверенной идеей в науке. Это заставляет некоторых физиков задаться вопросом: может ли математический инструмент стать реальным?
|
|
|
|
Инструмент для ведения бухгалтерского учета
|
|
|
|
Виртуальные частицы - это инструмент, который физики используют для расчета взаимодействия в микроскопическом субатомном мире. Взаимодействия реальны, потому что их можно измерить.
|
|
|
|
Но вместо того, чтобы пытаться рассчитать силы напрямую, физики используют систему бухгалтерского учета, в которой силу переносят короткоживущие виртуальные частицы. Виртуальные частицы не только делают расчеты более управляемыми, но и решают давнюю проблему физики: как сила действует в пустом пространстве?
|
|
|
|
Виртуальные частицы используют естественную нечеткость субатомного мира, где, если эти эфемерные частицы живут достаточно недолго, они также могут ненадолго заимствовать энергию из пустого пространства. Нечеткость энергетического баланса скрывает этот кратковременный дисбаланс, который позволяет виртуальным частицам влиять на реальный мир.
|
|
|
|
Одним из больших преимуществ этого инструмента является то, что математические операции, описывающие взаимодействие частиц, можно визуализировать в виде диаграмм. Они выглядят как карикатуры на пинг-понг, в которые играют виртуальные частицы. Диаграммы, получившие название диаграмм Фейнмана, предлагают отличную интуитивную основу, но они также создают иллюзию реальности виртуальных частиц.
|
|
|
|
Удивительно, но этот метод расчета, основанный на виртуальных частицах, позволяет получить одни из самых точных предсказаний во всей науке.
|
|
|
|
Проверка на реальность
|
|
|
|
Вся материя состоит из основных строительных блоков, называемых атомами. Атомы, в свою очередь, состоят из маленьких положительно заряженных частиц, называемых протонами, которые находятся в их ядре и окружены еще более мелкими отрицательно заряженными частицами, называемыми электронами.
|
|
|
|
Как профессор физики и астрономии в Университете штата Миссисипи, я провожу эксперименты, которые часто основаны на идее о том, что электроны и протоны, наблюдаемые нашими приборами, взаимодействуют путем обмена виртуальными частицами. Недавно мы с коллегами очень точно измерили размер протона, бомбардируя атомы водорода пучком электронов. Это измерение предполагает, что электроны могут "чувствовать" протон в центре атома водорода, обмениваясь виртуальными фотонами - частицами электромагнитной энергии.
|
|
|
|
Физики используют виртуальные частицы, чтобы с исключительной точностью рассчитать, как два электрона отталкиваются друг от друга. Задействованные силы представлены как суммарный эффект взаимодействия двух электронов, обменивающихся виртуальными фотонами.
|
|
|
|
Когда две металлические пластины помещаются очень близко друг к другу в вакууме, они притягиваются друг к другу: это известно как эффект Казимира. Физики могут точно рассчитать силу, которая притягивает пластины друг к другу, используя математику виртуальных частиц. Независимо от того, существуют ли на самом деле виртуальные частицы или нет, математика точно предсказывает то, что исследователи наблюдают в реальном мире.
|
|
|
|
Еще одно загадочное предсказание, сделанное с помощью набора инструментов virtual particle, - это так называемое излучение Хокинга. Когда пары виртуальных частиц возникают на краю черных дыр, иногда гравитация черной дыры захватывает одного партнера, в то время как другой ускользает. Этот разрыв заставляет черную дыру медленно испаряться. Хотя излучение Хокинга еще не наблюдалось непосредственно, исследователи недавно наблюдали его косвенно.
|
|
Полезная литература
|
|
|
|
Давайте вернемся к вопросу: Может ли математический инструмент стать реальным? Если вы можете точно предсказать все, что касается взаимодействия, представив, что оно переносится виртуальными частицами, можно ли считать эти частицы реальными? Имеет ли значение их вымышленный статус?
|
|
|
|
Физики по-прежнему расходятся во мнениях по этим вопросам. Некоторые предпочитают "просто заткнуться и посчитать" — одна из знаменитых фраз Фейнмана. На данный момент виртуальные частицы - это наш лучший способ описать поведение частиц. Но исследователи разрабатывают альтернативные методы, которые в них вообще не нуждаются.
|
|
|
|
В случае успеха эти подходы могут привести к тому, что виртуальные частицы исчезнут навсегда. Успешный или нет, но тот факт, что альтернативы вообще существуют, говорит о том, что виртуальные частицы могут быть полезной выдумкой, а не физической истиной. Это также соответствует модели предыдущих революций в науке — на ум приходит пример эфира. Физики изобрели эфир как среду, через которую распространяются световые волны. Эксперименты хорошо согласуются с расчетами с использованием этого инструмента, но на самом деле они не смогли его обнаружить. В конце концов, теория относительности Эйнштейна показала, что в этом нет необходимости.
|
|
|
|
Виртуальные частицы - поразительный парадокс современной физики. Их не должно быть, но они необходимы для расчета всего, от силы притяжения магнитов до поведения черных дыр. Они представляют собой серьезную дилемму: иногда лучшее понимание реальности приходит через тщательно сконструированную иллюзию. В конце концов, путаница вокруг виртуальных частиц может быть всего лишь ценой понимания фундаментальных сил.
|
|
|
|
Источник
|
