CO TO SĄ CZĄSTECZKI WIRTUALNE?

Send

Czasami na podstawie otrzymanych wiadomości e-mail i komentarzy dostrzegam słaby punkt w moich artykułach.

Jednym z popularnych artykułów, które napisaliśmy, było uświadomienie sobie przez Stephena Hawkinga, że czarne dziury muszą wyparować przez długi czas. Rozmawialiśmy o mechanizmie i wspomnieliśmy, jak istnieją te wirtualne cząstki, które pojawiają się i znikają.

Zwykle cząsteczki te anihilują się, ale na krawędzi horyzontu zdarzeń czarnej dziury jedna cząstka wpada, a druga może swobodnie wędrować po kosmosie. Ponieważ nie możesz tworzyć cząstek z niczego, czarna dziura musi poświęcić trochę siebie, aby kupić wolność tej nowo powstałej cząstce.

Ale mój krótki artykuł nie wystarczył, aby dokładnie wyjaśnić, czym są wirtualne cząstki. Oczywiście wszyscy chcieli więcej informacji. Czym oni są? Jak są wykrywane? Co to oznacza dla czarnych dziur?

W takich sytuacjach, gdy wiem, że obserwują to policja fizyczna, lubię dzwonić. Jeszcze raz wrócę i porozmawiam z moim dobrym przyjacielem i rzeczywistym działającym astrofizykiem, dr Paulem Mattem Sutterem. Pisał artykuły na takie tematy, jak Bayesian Analysis of Cosmic Dawn i MHD Simulations of Magnetic Outflows. On naprawdę zna się na rzeczy.

Fraser Cain:
Hej Paul, pierwsze pytanie: Co to są wirtualne cząstki?

Paul Matt Sutter:
W porządku. Bez nacisku, Fraser. Dobrze, dobrze.

Aby uzyskać pojęcie wirtualnych cząstek, trzeba cofnąć się o krok i pomyśleć o polu, a zwłaszcza o polu elektromagnetycznym. W naszym obecnym spojrzeniu na to, jak działa wszechświat, cała przestrzeń i czas są wypełnione tego rodzaju polem tła. A to pole może falować i falować wokół, a czasami te fale i fale są jak fale, które rozprzestrzeniają się do przodu, a my nazywamy te fale fotonami lub promieniowaniem elektromagnetycznym, ale czasami może po prostu tam siedzieć i znasz bloop bloop bloop, po prostu znasz pop syczą i wydostają się, albo w górę i w dół, i trochę jakby same się zagotowały.

W rzeczywistości przestrzeń przez cały czas porusza się wokół tego pola nawet w próżni. Próżnia to nie brak wszystkiego. Próżnia jest dokładnie tam, gdzie to pole jest w najniższym stanie energetycznym. Ale nawet jeśli jest w tym najniższym stanie energetycznym, chociaż może średnio tam nic nie ma. Nie ma nic, co powstrzymałoby to od zwykłego bloop bloop bloop, o którym wiesz, że się bulgocze.

Tak więc w rzeczywistości próżnia jest jakby wrząca z tymi polami. W szczególności pole elektromagnetyczne, o którym właśnie mówimy.

I wiemy, że fotony, to światło, mogą zamieniać się w cząstki, pary przeciw cząsteczek. Może zmienić się w powiedzmy elektron i pozyton. Może to po prostu zrobić. Może się zdarzyć w przypadku normalnych fotonów i może się zdarzyć w przypadku tego rodzaju tymczasowych chwiejnych fotonów chwiejnych.

Czasami więc foton lub pole elektromagnetyczne może rozprzestrzeniać się z jednego miejsca na drugie, a my nazywamy to fotonem. I ten foton może rozdzielić się na pozyton i elektron, a innym razem może po prostu poruszać falą w miejscu, a następnie machać falą POP POP. Wpada w pozyton i elektron, a następnie zderzają się ze sobą lub cokolwiek, i po prostu gotują się z powrotem. Wibble wobble, pop pop, fizz fizz to coś, co dzieje się w próżni przez cały czas, i tak nazywamy te wirtualne cząsteczki, to zwykły rodzaj rozmycia tła lub tła statycznego do próżni.

Fraser:
W porządku. Jak więc widzimy dowody na istnienie wirtualnych cząstek?

Paweł:
Tak, świetne pytanie. Wiemy, że z próżnią wiąże się energia. Wiemy, że te wirtualne cząstki zawsze pojawiają się i znikają z kilku powodów.

Jednym z nich jest przejście elektronu w różne stany atomu. Jeśli wzbudzisz atom, elektron wyskoczy do wyższego stanu energetycznego. Nie ma żadnego powodu, aby ten elektron powrócił do niższego stanu energetycznego. Już tam jest To właściwie stan stabilny. Nie ma powodu, aby odszedł, chyba że w polu elektromagnetycznym występują niewielkie drgania, a on może chichotać wokół tego elektronu i znokautować go z wyższego stanu energii i spowodować jego upadek do niższego stanu

Inna rzecz nazywa się przesunięciem baranka i dzieje się tak, gdy chwiejne chwiejne pole elektromagnetyczne lub wirtualne cząstki ponownie oddziałują z elektronami, powiedzmy na atom wodoru. Może delikatnie je popychać, a to przesunięcie wpływa na niektóre stany elektronu, a nie na inne stany. I faktycznie istnieją stany, które powiedziałbyś, że mają dokładnie takie same właściwości energetyczne, są one po prostu identyczne, ale ponieważ Przesunięcie Baranka, z powodu tego chwiejnego chwiejnego pola elektromagnetycznego oddziałuje z jednym z tych stanów, a nie z drugim, tak naprawdę subtelnie zmienia poziomy energii tych stanów, nawet jeśli można oczekiwać, że będą zupełnie takie same.

Kolejnym dowodem jest rozpraszanie fotonów, zwykle dwa fotony, tylko ćwierkanie, przelatują obok siebie. Są elektrycznie obojętne, więc nie mają powodu do interakcji, ale czasami fotony mogą drgać drgać w powiedzmy pary elektron / pozytron, a ta para elektron / pozytron może oddziaływać z innymi fotonami. Czasami więc odbijają się od siebie. Jest to bardzo rzadkie, ponieważ musisz poczekać, aż chybotanie się wydarzy we właściwym czasie, ale może się zdarzyć.

Fraser:
Jak więc wchodzą w interakcje z czarnymi dziurami?

Paweł:
Dobra, to sedno sprawy. Co te wszystkie wirtualne cząstki lub falujące pola elektromagnetyczne mają wspólnego z czarnymi dziurami, a konkretnie z promieniowaniem Hawkinga? Ale sprawdź to. Oryginalne sformułowanie Hawkings dotyczące tego, że czarne dziury mogą promieniować i tracić masę, w rzeczywistości nie ma nic wspólnego z wirtualnymi cząsteczkami. Lub nie mówi bezpośrednio o wirtualnych parach cząstek, aw rzeczywistości żadne inne sformułowania ani bardziej nowoczesne koncepcje tego procesu nie mówią o wirtualnych parach cząstek.

Zamiast tego mówią więcej o samym polu, a konkretnie o tym, co dzieje się z polem przed pojawieniem się czarnej dziury, o tym, co dzieje się z nim, gdy tworzy się czarna dziura, a następnie o tym, co dzieje się z polem po jego utworzeniu. I rodzi się pytanie: co dzieje się z tymi wątłymi, chwiejnymi fragmentami pola, takimi jak przejściowy rodzaj wrzenia natury próżni pola elektromagnetycznego? Co się z tym dzieje, gdy tworzy się czarna dziura?

Cóż, dzieje się tak, że niektóre wątłe, chwiejne fragmenty po prostu zostają złapane w pobliżu czarnej dziury, w pobliżu horyzontu zdarzeń, gdy się formuje, i spędzają tam długi czas, a ostatecznie uciekają. Trwa to więc chwilę, ale kiedy uciekną z powodu intensywnej krzywizny, intensywnej krzywizny czasoprzestrzeni, mogą zostać wzmocnieni lub awansowani. Zamiast być chwilowo chwiejne, chwiejne, w polu zostają wzmocnione, by stać się „prawdziwymi” cząsteczkami lub „prawdziwymi” fotonami. To naprawdę tak, jakby oddziaływanie formowania samej czarnej dziury z chwiejnym chwiejnym polem tła, które ostatecznie ucieka, ponieważ nie jest całkowicie uwięzione przez czarną dziurę.

W końcu ucieka i zamienia się w prawdziwe cząstki, i można obliczyć, jak to się dzieje, powiedzmy oczekiwaną liczbę cząstek w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Odpowiedzią jest liczba ujemna, co oznacza, że czarna dziura traci masę i wypluwa cząsteczki.

Teraz powstaje ta popularna koncepcja wirtualnych par cząstek, która zostaje uwięziona w horyzoncie zdarzeń. To nie jest dokładnie związane z matematyką promieniowania Hawkinga, ale też nie jest całkowicie błędne. Pamiętaj, że zwisające chwiejne w polu elektromagnetycznym są związane z tymi parami cząstek i antycząstek, które ciągle pojawiają się i znikają. W pewnym sensie idą w parze. Mówiąc o chwiejnych chwiejnych w terenie, mówisz także o wytwarzaniu wirtualnych cząstek. I to nie jest dokładnie matematyka, ale wiesz wystarczająco blisko.

Fraser:
OK i wreszcie Paul. Potrzebuję, żebyś przypadkowo porwał umysły widzów. Coś w wirtualnych cząsteczkach jest po prostu niesamowite!

Paweł:
W porządku. Więc chcesz zgiąć ludzkie umysły? W porządku. Oszczędzałem to na koniec. Coś soczystego, właśnie dla ciebie, Fraser.

Sprawdź to, to jeszcze jeden duży dowód na istnienie tych fluktuacji tła i istnienia wirtualnych cząstek, i to coś, co nazywamy Efektem Kazimierza lub Siłą Kazimierza.

Bierzesz dwie neutralne metalowe płytki, a to, co się dzieje, to pole, które przenika całą czasoprzestrzeń, znajduje się wewnątrz płyt i jest na zewnątrz płyt. Wewnątrz płyt możesz mieć tylko określone długości fali trybów. Prawie jak wnętrze trąbki może mieć tylko niektóre tryby, które wydają dźwięk. Końce długości fal muszą łączyć się z płytami, ponieważ tak właśnie metalowe płyty robią z polami elektromagnetycznymi.

Poza płytami możesz mieć dowolną długość fali. To nie ma znaczenia.

Oznacza to, że poza płytami masz nieskończoną liczbę możliwych długości fal modów. Występuje każdy możliwy rodzaj fluktuacji, ruch falowy w polu elektromagnetycznym, ale wewnątrz płyt są tylko pewne długości fal, które mogą zmieścić się w płytkach.

Teraz na zewnątrz jest nieskończona liczba trybów. Wewnątrz jest wciąż nieskończona liczba trybów, tylko nieco mniej nieskończona liczba trybów. I możesz wziąć nieskończoność na zewnątrz i odjąć nieskończoną nieskończoność od wewnątrz, i faktycznie uzyskać skończoną liczbę, a tym, co ostatecznie skończysz, jest nacisk lub siła, która łączy płyty. I faktycznie to zmierzyliśmy. To jest prawdziwa rzecz i tak, nie żartuję, możesz wziąć nieskończoność minus inną nieskończoność i uzyskać skończoną liczbę. To jest możliwe. Jednym z przykładów jest stała Eulera Mascheroni. Odważę się to sprawdzić!

Tak więc, mam nadzieję, że teraz rozumiesz, czym są te wirtualne cząstki, jak są one wykrywane i jak przyczyniają się do parowania czarnej dziury.

A jeśli jeszcze tego nie zrobiłeś, kliknij tutaj i przejdź do jego kanału. Znajdziesz dziesiątki filmów odpowiadających na równie zaskakujące pytania. W rzeczywistości wyślij swoje pytania, a on może po prostu nakręcić film i odpowiedzieć na nie.