Виртуальные частицы — одна из величайших загадок современной физики. Их нельзя увидеть или непосредственно зарегистрировать, и по определению они не считаются реальными частицами. И всё же физики полагаются на них, чтобы объяснять и рассчитывать, как взаимодействуют мельчайшие строительные блоки Вселенной. Без них многие процессы, происходящие внутри атомов, было бы трудно, если не невозможно, объяснить.
Эти виртуальные частицы — математические объекты, используемые в квантовой теории поля — framework, описывающем поведение частиц и сил на самых малых масштабах. Они помогают учёным понимать субатомные частицы (частицы меньше атома), включая электроны, протоны и нейтроны. Хотя виртуальные частицы существуют лишь в математических расчётах, эти расчёты предсказывают поведение реальных частиц с исключительной точностью. Этот успех заставил некоторых физиков задуматься: не являются ли виртуальные частицы чем-то физически реальным?
Виртуальные частицы необходимы для описания трёх из четырёх фундаментальных сил природы. Это электромагнетизм (сила, стоящая за электричеством, магнетизмом и светом), сильное ядерное взаимодействие (связывающее кварки в протоны и нейтроны и удерживающее атомные ядра) и слабое ядерное взаимодействие (ответственное за некоторые виды радиоактивного распада и играющее ключевую роль в ядерных реакциях, питающих звёзды).
В отличие от виртуальных, реальные частицы можно обнаружить с помощью научных приборов. Электроны, протоны и фотоны — примеры реальных частиц, поскольку их можно измерить напрямую. Виртуальные частицы иные. Их ввёл физик Ричард Фейнман как математический инструмент, упрощающий расчёты взаимодействий частиц.
Тем не менее грань между реальными и виртуальными частицами не так чётка, как может показаться. Учёные никогда не детектировали виртуальные частицы напрямую, но расчёты на их основе успешно предсказали множество тонких физических эффектов. В некоторых случаях эти предсказания совпадают с экспериментальными измерениями примерно до 12 знаков после запятой. Такой уровень точности сравним с измерением расстояния между Северным и Южным полюсами с погрешностью менее ширины человеческого волоса.
Из-за столь точного соответствия расчётов экспериментам виртуальные частицы стали одной из самых тщательно проверенных идей в современной физике. Это поднимает важный вопрос: может ли математический инструмент стать реальным?
Чтобы понять, почему виртуальные частицы так полезны, стоит взглянуть на то, как физики рассчитывают силы. Вместо прямого вычисления силы они часто используют математическую систему, в которой короткоживущие виртуальные частицы переносят силу между реальными частицами. Сама сила реальна, поскольку производит измеримые эффекты, но виртуальные частицы значительно упрощают расчёты.
Этот подход также помогает ответить на давний вопрос физики: как силы могут действовать через то, что кажется пустым пространством? Согласно квантовой механике, микромир подчиняется правилам квантовой неопределённости — фундаментальному принципу, гласящему, что определённые пары физических свойств нельзя одновременно знать с неограниченной точностью. Эта неопределённость допускает чрезвычайно кратковременные флуктуации энергии, которые физики математически представляют как виртуальные частицы, ненадолго заимствующие энергию и затем исчезающие. Эти частицы нельзя наблюдать непосредственно, но расчёты, построенные на них, неуклонно совпадают с экспериментальными результатами.
Одна из причин широкого использования этого метода — возможность изображать расчёты в виде диаграмм Фейнмана — графических инструментов, разработанных Ричардом Фейнманом, которые представляют взаимодействия частиц с помощью простых линий и точек. Они часто напоминают схематичные наброски палочек, обменивающихся виртуальными частицами. Эти диаграммы позволяют гораздо легче организовывать и понимать сложные вычисления. Однако физики подчёркивают, что это математические представления, а не буквальные картинки того, что происходит внутри атома.
Точность этого подхода становится очевидной в экспериментах с атомами. Каждый атом состоит из ядра, содержащего положительно заряженные протоны и нейтроны, и окружающих его отрицательно заряженных электронов.
Будучи профессором физики и астрономии в Университете штата Миссисипи, я провожу эксперименты, которые часто опираются на представление о том, что электроны и протоны, видимые в наших приборах, взаимодействуют, обмениваясь виртуальными фотонами. В отличие от обычных фотонов — частиц света, которые можно детектировать, виртуальные фотоны — это математические сущности, используемые в квантовой электродинамике для представления электромагнитных взаимодействий между заряженными 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.
Та же идея используется для расчёта взаимного отталкивания двух электронов. Вместо прямого вычисления электрической силы физики описывают взаимодействие как результат обмена электронами виртуальными фотонами. Предсказания, сделанные этим методом, близко совпадают с экспериментальными измерениями.
Другой пример — эффект Казимира, измеримое квантовое явление, при котором две незаряженные металлические пластины, помещённые чрезвычайно близко друг к другу в вакууме, испытывают крошечную силу притяжения. Физики могут очень точно рассчитать эту силу, используя математику виртуальных частиц. Остаётся неясным, существуют ли сами виртуальные частицы физически, но расчёты совпадают с тем, что наблюдают исследователи в экспериментах.
Виртуальные частицы появляются и в теориях о чёрных дырах. Один из известных примеров — излучение Хокинга, предсказание физика Стивена Хокинга о том, что чёрные дыры могут медленно терять энергию и в конечном итоге испаряться из-за квантовых эффектов вблизи их горизонта событий. В общепринятом объяснении пары виртуальных частиц ненадолго появляются у края чёрной дыры. Если гравитация чёрной дыры захватывает одну частицу, а другая улетает, улетающая частица уносит с собой небольшое количество энергии, заставляя чёрную дыру постепенно терять массу со временем. Хотя излучение Хокинга пока не наблюдалось напрямую, исследователи сообщали о косвенных свидетельствах, согласующихся с предсказанием.
Эти примеры высвечивают главный спор вокруг виртуальных частиц. Если основанные на них расчёты постоянно предсказывают реальные наблюдения с поразительной точностью, стоит ли по-прежнему считать их лишь математическими инструментами? Или они описывают нечто, что существует, но пока не может быть обнаружено?
Физики остаются разделёнными. Некоторых устраивает использование виртуальных частиц, потому что расчёты работают так хорошо. Этот взгляд отражён в одной из знаменитых шуток Ричарда Фейнмана: «просто заткнись и считай».
Другие исследуют новые способы описания взаимодействий частиц вообще без виртуальных частиц. Разрабатывается несколько альтернативных математических подходов, хотя ни один из них пока не заменил методы, используемые в квантовой теории поля.
Если одна из таких альтернатив в конечном итоге преуспеет, это может означать, что виртуальные частицы — просто полезные математические модели, а не реальные части природы. Физика уже видела подобные идеи. Когда-то учёные считали, что свет распространяется через невидимую субстанцию — эфир. Хотя это понятие помогало объяснить многие наблюдения, ни один эксперимент не мог его обнаружить. Теория относительности Альберта Эйнштейна позже показала, что эфир не нужен.
Виртуальные частицы могут в конечном счёте постичь та же участь, а могут и нет. Пока они остаются одним из важнейших инструментов физики элементарных частиц, помогая учёным рассчитывать всё — от взаимодействий внутри атомов до поведения чёрных дыр. Являются ли они реальность или просто исключительно успешной математической идеей — остаётся одним из самых больших открытых вопросов современной физики.
TL;DR:
- Виртуальные частицы — математические инструменты в квантовой теории поля, используемые для расчёта взаимодействий субатомных частиц, хотя их невозможно наблюдать напрямую.
- Они помогают физикам описывать три фундаментальные силы природы: электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие.
- Расчёты с использованием виртуальных частиц совпадают с экспериментальными результатами с исключительной точностью, что делает их одним из самых успешных инструментов современной физики.
- Учёные используют виртуальные частицы для объяснения таких явлений, как взаимодействия между электронами, эффект Казимира и предсказанное излучение Хокинга от чёрных дыр.
- Физики расходятся во мнениях, представляют ли виртуальные частицы нечто физически реальное или же это просто мощные математические модели.
- Исследователи разрабатывают альтернативные теории, не опирающиеся на виртуальные частицы, но пока они остаются необходимыми для понимания многих процессов в физике элементарных частиц.
Источник: Университет штата Миссисипи через The Conversation
Эта статья была подготовлена с некоторой помощью ИИ и проверена редактором. Согласно Разделу 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного репортажа. Добросовестное использование разрешено законом об авторском праве и в иных случаях могло бы считаться нарушением.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
