Sunt particulele virtuale reale?Mecanica cuanticScris de Dr. Dave Goldberg Smbt, 21 Iunie 2014 19:34particule virtualeSe pare c Universul este plin cu particule i antiparticule care apar i dispar n permanen. Sunt aceste particule reale? Vei afla rspunsul la aceast ntrebare n acest articol. Astzi voi rspunde unui cititor care mi-a scris urmtoarele:

Procesul prin care particulele virtuale apar i dispar n permanen pare a fi n contradicie cu principiul de baz prin care energia nu poate fi creat sau distrus. Sper s putei s ne explicai cum apar particulele virtuale, ce sunt ele cu adevrat i de ce acest proces este similar unor fluctuaii cuantice".

Am mai spus-o i o voi spune din nou. ntr-un univers cuantic tot ceea ce exist are un caracter de incertitudine. Aceia dintre voi care sunt familiarizai cu principiul de incertitudine al lui Heisenberg i amintesc, probabil, c acesta este n legtur cu faptul c nu putem msura poziia i impulsul unei particule dect n limita unui anumit grad de incertitudine combinat. Dac msurai, de exemplu, poziia unei particule cu o precizie ridicat atunci nu vei fi foarte siguri cu privire la impulsul acesteia i viceversa.

Dar mai exist o alt parte a principiului de incertitudine care reprezint o adevrat provocare la adresa principiului de conservare a energiei: putei crea particule pentru o scurt perioad de timp, dar cu ct acestea sunt mai masive, cu att vor dura mai puin. Pentru un fizician, masa i energia sunt interschimbabile, astfel nct aceast afirmaie este n esen similar cu a spune c putei avea o incertitudine n ceea ce privete energia i cu ct aceast incertitudine este mai mare cu att mai puin timp vei fi nesiguri cu privire la faptul dac aceste particule chiar exist.

Gndii-v la acest fapt ca la ceva similar aciunii din filmele Superman III sau Office Space (n.tr.: este vorba de o tactic de rotunjire a sumelor de bani tranzacionate cu foarte puin n minus, "deturnnd" astfel foarte puin din sumele dintr-o serie de tranzacii financiar-bancare, ajungndu-se la sume "deturnate" totale foarte mari pentru un numr impresionant de tranzacii). Eroarea de rotunjire este att de mic nct nimeni nu o va observa i totul se presupune c ar trebui, n cele din urm, s se anuleze. Deci, pe ansamblu, principiul conservrii energiei se va aplica, n cele din urm, dup trecerea acelor fraciuni microscopice dintr-o secund.

Cu toate acestea, ce se nelege prin particule virtuale?

Putei reciti excelentul ghid al particulelor subatomice realizat de Alasdair. Printre alte lucruri, vei afla c fotonul (adic lumina) este particula mediatoare a forei electromagnetice. Ideea este c dou particule ncrcate electric, cum ar fi de exemplu electronii, schimb n mod constant fotoni virtuali" ntre ele, ceea ce-i face pe electroni s se resping ntre ei.

ntr-un anume sens acest lucru este doar un truc matematic. Noi de fapt nu vedem aceti fotoni. n concluzie, de ce s spunem c acetia sunt reali? Pentru a ne da seama de interaciunea de ansamblu dintre electroni noi nsumm efectele unui numr infinit de configuraii posibile de fotoni. Nu doar c exist un numr infinit de posibiliti, dar unele dintre acestea chiar nu par s aib sens.

Se presupune c fotonii sunt lipsii de mas i n consecin ei pot cltori cu viteza luminii. Dar n calcule exist mici contribuii aduse de fotoni care au mas i de unii care au efectiv o mas negativ. Electronii, gluonii, bosonii W apar n aceste calcule i ori de cte ori trebuie s includem masa lor, masa obinuit" se dovedete a fi doar o sugestie de bun sim, nu o regul de baz, general. Aceste nclcri ale valorilor obinuite pot fi neglijate pentru c ele sunt doar virtuale. La sfritul calculelor toate particulele vor avea din nou masele lor obinuite i toate particulele virtuale se ntorc napoi n vidul din care au aprut.

i nu este vorba aici doar despre efectuarea unor calcule. Chiar i n cazul aa-numitului vid, particulele virtuale apar i dispar n permanen, dar numai sub form de perechi. Chiar n acest moment, n jurul vostru perechi formate din electroni i pozitroni, antiparticulele electronilor, sunt create i se anihileaz reciproc ntr-un interval de o miliardime dintr-o trilionime de secund. Acelai lucru este valabil (dar cu o durat de via mai mic) pentru aproape fiecare alt set posibil de perechi de particule/antiparticule.

Asta ne spun ecuaiile, dar dac particulele virtuale apar doar n ecuaii atunci cum putem spune c ele chiar sunt reale?

Iat cum.

Dup toate acestea ai putea fi tentai s credei c aici este vorba de fapt doar despre un truc de matematic. Particulele virtuale nu dureaz foarte mult, apar ntotdeauna n perechi, sarcina pozitiv o va anula ntotdeauna pe cea negativ, astfel nct este greu s ne imaginm cum le-am putea detecta. Dar particulele virtuale sau cel puin efectul lor net pot fi ntr-adevr detectate, cel puin n mod indirect.

Unul dintre cele mai renumite experimente care au susinut ideea c particulele virtuale sunt ntr-adevr reale este aa-numitul efect Casimir. S presupunem c avei o pereche de plci conductoare. Deoarece acestea conduc electricitatea, nu putei produce un cmp electric n interiorul lor. n consecin, pot exista doar anumite lungimi de und ale fotonilor virtuali". Acest lucru nseamn c exist o densitate de energie mai mic intre plci dect n afara lor, iar acestea vor fi mpinse una spre alta pentru c Universului i place ntr-adevr s fac n aa fel nct energia s se afle la un nivel ct mai sczut posibil. Hendrik Casimir a msurat acest fenomen n anul 1948, dar v avertizez s nu ncercai acas s efectuai acest experiment, deoarece efectul su este foarte mic i necesit un vid pronunat.Efectul CasimirMai mult, n cazul n care aceste particule virtuale sunt reale, atunci gravitaia ar trebui s le vad". La urma urmei gravitaia ar trebui s reacioneze la orice form de energie din Univers. Aceasta este o posibil explicaie pentru energia ntunecat". Cu toate acestea, aa cum am explicat ntr-un articol anterior, cea mai simpl versiune a acestui calcul conduce la o valoare care este de aproximativ 10^100 ori mai mare dect energia ntunecat pe care o msoar n realitate cosmologii. Aceasta nu este o problem lipsit de important.

i ele nu trebuie s rmn virtuale pentru totdeauna.

Lsai-m s filozofez pentru un moment, dac nu v suprai. S presupunem c undeva n inima galaxiei Andromeda, aflat la aproximativ 2,5 milioane de ani-lumin deprtare de noi, exist un electron. Acolo exist, desigur, un numr foarte mare de electroni. Electronii creeaz un cmp electric, ceea ce nseamn c ei schimb ntre ei fotoni virtuali, dintre care unii cltoresc prin spaiu timp de 2,5 milioane ani pentru ca n cele din urm s fie eventual absorbii de un electron de aici de pe Pmnt. n tot acest interval de timp a fost fotonul ntr-adevr virtual? Ei bine, cred c da. Singurul motiv pentru care particulele virtuale sunt considerate virtuale este pentru c ele apar i dispar nainte de a putea s le msurm.

Chiar dac aceste particule apar iniial ca fiind virtuale, nu este obligatoriu ca ele s rmn n aceast stare. S ne ocupm de un exemplu mai concret: gurile negre.

S presupunem c v aflai n apropiere de marginea unei guri negre dintr-un motiv oarecare. Dintr-o dat un electron i un pozitron apar ca de nicieri. Nu este nicio problem", ai putea gndi, ele oricum se vor ndeprta destul de repede". Electronul ar putea ns cdea n interiorul orizontului gurii negre i atunci el este pierdut pentru totdeauna. Pozitronul n acest caz se va transforma din virtual n real i va zbura n cosmos. Acest lucru, aa cum cititorii notri probabil tiu deja, reprezint cauza apariiei radiaiei Hawking. Trebuie s subliniez c radiaia Hawking nu a fost nc detectat, dar cu toate acestea suntem destul de ncreztori n existena ei.

O variant a acestui proces este posibil s se fi produs, de asemenea, n Universul foarte timpuriu. ntr-o mic fraciune de secund dup evenimentul Big Bang au fost create, n mod constant, perechi de particule. Dar n timpul perioadei de inflaie, s-a produs o cretere brusc a mrimii Universului, iar particule care s-au aflat iniial unele lng altele au fost separate de distane uriae astfel nct acestea nu s-au mai putut, n cele din urm, recombina. Aceste particule, de asemenea, s-au transformat din particule virtuale n particule reale i ele se afl, de altfel, la originea tuturor structurilor cosmice din prezent.