HVA ER VIRTUELLE PARTIKLER?

Send

Noen ganger finner jeg ut det svake stedet i artiklene mine basert på e-postene og kommentarene de mottar.

En populær artikkel vi gjorde handlet om Stephen Hawkings erkjennelse av at sorte hull må fordampe over store tidsperioder. Vi snakket om mekanismen, og nevnte hvordan det er disse virtuelle partiklene som dukker inn og ut av eksistensen.

Normalt tilintetgjøres disse partiklene, men i utkanten av et sorte hulls hendelseshorisont faller en partikkel inn, mens en annen står fritt til å vandre i kosmos. Siden du ikke kan lage partikler fra ingenting, trenger det svarte hullet å ofre litt av seg selv for å kjøpe denne nyopprettede partikkels frihet.

Men den korte artikkelen min var ikke nok til å tydeliggjøre nøyaktig hva virtuelle partikler er. Det er klart at dere alle ønsket mer informasjon. Hva er de? Hvordan oppdages de? Hva betyr dette for sorte hull?

I situasjoner som dette, når jeg vet at fysikkpolitiet ser på, liker jeg å ringe. Nok en gang skal jeg gå tilbake og snakke med min gode venn og den virkelige astrofysikeren, Dr. Paul Matt Sutter. Han har skrevet artikler om emner som Bayesian Analysis of Cosmic Dawn og MHD Simulations of Magnetic Outflows. Han vet virkelig tingene sine.

Fraser Kain:
Hei Paul, første spørsmål: Hva er virtuelle partikler?

Paul Matt Sutter:
Ok. Ikke noe press, Fraser. Ok, ok.

For å få konseptet virtuelle partikler må du faktisk ta et skritt tilbake og tenke på feltet, spesielt det elektromagnetiske feltet. I vårt nåværende syn på hvordan universet fungerer all tid og rom, fylles det opp med denne typen bakgrunnsfelt. Og dette feltet kan vingle og slynge seg rundt, og noen ganger er disse vinglingene og wabblene som bølger som forplanter seg fremover, og vi kaller disse bølgene fotoner eller elektromagnetisk stråling, men noen ganger kan det bare sitte der og du vet bloop bloop bloop, bare du vet pop fizzle inn og ut, eller opp og ned, og slags koke litt på egen hånd.

Faktisk er all tidsrommet en slags vingling / surring rundt dette feltet selv i et vakuum. Et vakuum er ikke fraværet av alt. Vakuumet er akkurat der dette feltet er i sin laveste energitilstand. Men selv om det er i den laveste energitilstanden, selv om det i gjennomsnitt kanskje ikke er noe der. Det er ingenting som hindrer det fra bare bloop bloop bloop du vet boblende rundt.

Så faktisk er vakuumet slags kokende med disse åkrene. Spesielt det elektromagnetiske feltet som er det vi snakker om akkurat nå.

Og vi vet at fotoner, det lyset, kan bli til partikkelpar, anti-partikkelpar. Det kan bli en elektron og en positron. Det kan bare gjøre dette. Det kan skje med normale fotoner, og det kan skje med denne typen midlertidige, svingete, vinglende fotoner.

Noen ganger kan et foton eller noen ganger det elektromagnetiske feltet forplante seg fra et sted til et annet, og vi kaller det et foton. Og det fotonet kan dele seg opp i en positron og et elektron, og andre ganger kan det bare vingle vingle slags på plass og deretter vingle vingle POP POP. Den spretter inn i en positron og et elektron, og så krasjer de inn i hverandre eller hva som helst, og de bare putter ned igjen. Så wibble wobble, pop pop, fizz fizz er litt sånt som foregår i vakuumet hele tiden, og det er navnet vi gir disse virtuelle partiklene er bare den normale typen bakgrunnsfus eller bakgrunnsstatisk til vakuumet.

Fraser:
Greit. Så hvordan ser vi bevis for virtuelle partikler?

Paul:
Ja, flott spørsmål. Vi vet at vakuumet har en energi assosiert med det. Vi vet at disse virtuelle partiklene alltid suser inn og ut av eksistensen av noen få grunner.

Den ene er overgangen til elektronet i forskjellige tilstander i atomet. Hvis du begeistrer atomet dukker elektronet opp til en høyere energitilstand. Det er på en måte ingen grunn til at det elektronet kommer tilbake til en lavere energitilstand. Den er allerede der. Det er faktisk en stabil tilstand. Det er ingen grunn til å forlate det med mindre det er lite vibbel i det elektromagnetiske feltet og det kan fnise rundt det elektronet og slå det ut av den høyere energitilstanden og sende den til å krasje ned i en lavere tilstand

En annen ting kalles Lamb Shift, og dette er når det vablete vaggende elektromagnetiske feltet eller de virtuelle partiklene igjen samvirker med elektroner, for eksempel et hydrogenatom. Det kan skyve dem forsiktig rundt, og dette skiftet påvirker noen tilstander i elektronet og ikke andre tilstander. Og det er faktisk tilstander som du vil si at de har nøyaktig de samme energienhetene, de er bare identiske, men fordi Lammeskiftet, på grunn av dette kronglete, vaklende elektromagnetiske feltet, samhandler med en av disse tilstandene og ikke den andre, faktisk endrer subtilt energinivået i disse tilstandene, selv om du forventer at de vil være helt de samme.

Og et annet bevis er i fotonfotonspredning, som regel to fotoner bare, flyr av hverandre. De er elektrisk nøytrale, så de har ingen grunn til å samhandle, men noen ganger kan fotonene vingle til å vingle til å si elektron / positron-par, og at elektron / positron-par kan samhandle med de andre fotonene. Så noen ganger spretter de av hverandre. Det er supers sjeldent fordi du må vente på at vinglingene skal skje på akkurat det rette tidspunktet, men det kan skje.

Fraser:
Så hvordan samhandler de med sorte hull?

Paul:
OK, dette er hjertet i saken. Hva har alle disse virtuelle partiklene eller vaggende wobbly elektromagnetiske felt å gjøre med sorte hull, og spesielt Hawking-stråling? Men sjekk ut dette. Hawkings opprinnelige formulering av denne ideen om at sorte hull kan utstråle og miste masse har faktisk ingenting å gjøre med virtuelle partikler. Eller det snakker ikke direkte om virtuelle partikkelpar, og faktisk snakker ingen andre formuleringer eller mer moderne forestillinger om denne prosessen om virtuelle partikkelpar.

I stedet snakker de mer om selve feltet og spesifikt hva som skjer med feltet før det svarte hullet er der, hva som skjer med det når det sorte hullet dannes, og deretter hva som skjer med feltet etter at det er dannet. Og det stiller på et spørsmål: Hva skjer med disse svingete, vaklende bitene av feltet, disse liker forbigående slags kokende natur i vakuumet til det elektromagnetiske feltet? Hva skjer med det når det sorte hullet dannes?

Det som skjer er at noen av de svingete, vingete bitene bare blir fanget i nærheten av det sorte hullet, nær hendelseshorisonten mens det dannes, og de tilbringer lang tid der, og til slutt slipper de unna. Så det tar en stund, men når de flykter på grunn av den intense krumningen der, den intense krumningen av rom-tid, kan de bli styrket eller forfremmet. Så i stedet for å være midlertidig vekkende vinglete, blir de i feltet forsterket til å bli "ekte" partikler eller "ekte" fotoner. Så det er virkelig som en interaksjon mellom dannelsen av selve det sorte hullet med det svingete, vaklende bakgrunnsfeltet, som til slutt slipper ut fordi det ikke er helt fanget av det sorte hullet.

Etter hvert slipper det ut og blir til virkelige partikler, og du kan beregne som hva som skjer med si det forventede antall partikler i nærheten av sorte hullets hendelseshorisont. Svaret er det negative tallet, noe som betyr at det sorte hullet mister masse og spytter ut partikler.

Nå er denne populære forestillingen om virtuelle partikkelpar som dukker opp i eksistensen og en blir fanget i hendelseshorisonten. Det er ikke akkurat knyttet til matematikken til Hawking-stråling, men det er heller ikke helt galt. Husk at de svingete vinglene i det elektromagnetiske feltet er relatert til disse parpartiklene og antipartiklene som stadig popper inn og ut av eksistensen. De går hånd i hånd. Så ved å snakke om wibbly wobbly's i feltet, snakker du også slags produksjon av virtuelle partikler. Og det er ikke akkurat matematikken, men du vet nær nok.

Fraser:
Ok, og til slutt, Paul. Jeg trenger at du bare vilkårlig sprenge hodet til seerne. Noe med virtuelle partikler som bare er fantastisk!

Paul:
Ok. Så du vil bøye folks sinn? Greit. Jeg lagret dette til sist. Noe saftig, bare for deg, Fraser.

Sjekk dette, det er enda et stort bevis vi har for at disse bakgrunnssvingningene og virtuelle partikler eksisterer, og det er noe vi kaller Casimir-effekten, eller Casimir Force.

Du tar to nøytrale metallplater, og det som skjer er dette feltet som gjennomsyrer all romtid er inne i platene og det er utenfor platene. Inne i platene kan du bare ha visse bølgelengder på modusene. Nesten som innsiden av en trompet kan bare ha visse modus som lager lyd. Endene av bølgelengdene må koble seg til platene, for det er det metallplater gjør for elektromagnetiske felt.

Utenfor platene kan du ha hvilken som helst bølgelengde du ønsker. Det spiller ingen rolle.

Så det betyr utenfor platene at du har et uendelig antall mulige bølgelengder av modus. Alle slags mulige svingninger, svingninger i det elektromagnetiske feltet er der, men inne i platene er det bare visse bølgelengder som kan passe inni platene.

Nå, utenfor er det et uendelig antall modus. Innvendig er det fortsatt et uendelig antall modus, bare litt færre uendelig antall modus. Og du kan ta uendelig på utsiden, og trekke det uendelige uendelig på innsiden, og faktisk få et endelig tall, og det du ender opp med er et trykk eller en kraft som bringer platene sammen. Og vi har faktisk målt dette. Dette er en ekte ting, og ja, jeg tuller ikke, du kan ta uendelig minus en annen uendelig, og få et endelig tall. Det er mulig. Et eksempel er Euler Mascheroni Constant. Jeg tør deg å slå det opp!

Så dit du går, nå håper jeg du forstår hva disse virtuelle partiklene er, hvordan de blir oppdaget og hvordan de bidrar til fordampning av et svart hull.

Hvis du ikke allerede har gjort det, må du klikke her og gå til kanalen hans. Du finner dusinvis av videoer som svarer på like sinnebøyende spørsmål. Send faktisk spørsmålene dine, så lager han kanskje bare en video og svarer på dem.