HVAD ER VIRTUELLE PARTIKLER?

Send

Nogle gange finder jeg ud af det svage sted i mine artikler baseret på de e-mails og kommentarer, de modtager.

En populær artikel, vi gjorde, var alt om Stephen Hawkings erkendelse af, at sorte huller skal fordampe over store tidsperioder. Vi talte om mekanismen og nævnte, hvordan der er disse virtuelle partikler, der popper ind og ud af eksistensen.

Normalt udslettes disse partikler, men ved kanten af et sort huls begivenhedshorisont falder en partikel ind, mens en anden er fri til at vandre i kosmos. Da du ikke kan skabe partikler fra intet, er det sorte hul nødt til at ofre lidt af sig selv for at købe denne nydannede partikels frihed.

Men min korte artikel var ikke nok til at præcisere, hvad virtuelle partikler er. Det er klart, at I alle ville have mere information. Hvad er de? Hvordan opdages de? Hvad betyder det for sorte huller?

I situationer som dette, når jeg kender den faktiske fysik, som politiet holder øje med, kalder jeg en ringetone. Endnu en gang vil jeg gå tilbage og tale med min gode ven og den faktiske fungerende astrofysiker, Dr. Paul Matt Sutter. Han har skrevet artikler om emner som den bayesiske analyse af kosmisk daggry og MHD-simuleringer af magnetisk udstrømning. Han kender virkelig sine ting.

Fraser Kain:
Hej Paul, første spørgsmål: Hvad er virtuelle partikler?

Paul Matt Sutter:
I orden. Intet pres, Fraser. Okay okay.

For at få begrebet virtuelle partikler skal du faktisk tage et skridt tilbage og tænke over feltet, især det elektromagnetiske felt. I vores nuværende opfattelse af, hvordan universet fungerer alt rum og tid, er fyldt op med denne form for baggrundsfelt. Og dette felt kan slingre og svøbe rundt, og nogle gange er disse svingninger og svingninger som bølger, der forplantes fremad, og vi kalder disse bølger fotoner eller elektromagnetisk stråling, men nogle gange kan det bare sidde der, og du ved, bloop bloop bloop, bare du ved pop fizzle ind og ud, eller op og ned, og slags kog lidt lidt på egen hånd.

Faktisk er al tid rummet slags wibbling / wabbling omkring dette felt selv i et vakuum. Et vakuum er ikke fraværet af alt. Vakuumet er lige hvor dette felt er i sin laveste energitilstand. Men selvom det er i den laveste energitilstand, selvom der måske i gennemsnit ikke er noget der. Der er intet, der forhindrer det fra blot bloop bloop bloop, du kender boblende rundt.

Så faktisk er vakuumet slags kogende med disse felter. Især det elektromagnetiske felt, som vi taler om lige nu.

Og vi ved, at fotoner, dette lys, kan blive til partikler, anti-partikelpar. Det kan blive et elektron og en positron. Det kan bare gøre dette. Det kan ske med normale fotoner, og det kan ske med denne form for midlertidige, svingete, wobbly fotoner.

Så nogle gange kan en foton eller nogle gange det elektromagnetiske felt udbrede sig fra et sted til et andet, og vi kalder det en foton. Og den foton kan opdeles i en positron og en elektron, og andre gange kan den bare vugge vingle slags på plads og derefter vugge wobble POP POP. Det popper ind i en positron og en elektron, og så går de ned i hinanden eller hvad som helst, og de bare simmer tilbage. Så wibble wobble, pop pop, fizz fizz er slags hvad der foregår i vakuumet hele tiden, og det er det navn, vi giver disse virtuelle partikler, er bare den normale form for baggrundsvamp eller baggrund, der er statisk i vakuumet.

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

Paul:
Ja, stort spørgsmål. Vi ved, at vakuumet har en energi forbundet med det. Vi ved, at disse virtuelle partikler altid svirrer ind og ud af eksistensen af nogle få grunde.

Den ene er overgangen af elektronet i forskellige tilstande af atomet. Hvis du ophidser atomet, dukker elektronet op til en højere energitilstand. Der er slags ingen grund til, at elektronet springer tilbage til en lavere energitilstand. Den er allerede der. Det er faktisk en stabil tilstand. Der er ingen grund til, at det forlader, medmindre der er små svingbare vugger i det elektromagnetiske felt, og det kan fnise rundt om det elektron og slå det ud af den højere energitilstand og sende det styrtende ned i en lavere tilstand

En anden ting kaldes Lammeskiftet, og det er her, når det vuggende, vuggende elektromagnetiske felt eller de virtuelle partikler igen interagerer med elektroner, f.eks. Et brintatom. Det kan skubbe dem forsigtigt rundt, og dette skift påvirker nogle tilstande i elektronet og ikke andre tilstande. Og der er faktisk stater, som du ville sige, at de har nøjagtigt de samme siger energiegenskaber, de er bare slags identiske, men fordi Lammeskiftet på grund af dette veltende, veltende elektromagnetiske felt interagerer med en af disse stater og ikke den anden, faktisk ændrer subtilt energiniveauet i disse tilstande, selvom du ville forvente, at de var helt ens.

Og et andet bevis er i fotonfotonspredning, som regel to fotoner bare, phweeet, flyver af hinanden. De er elektrisk neutrale, så de har ingen grund til at interagere, men nogle gange kan fotonerne vingle til at sige elektron / positron-par, og at elektron / positron-par kan interagere med de andre fotoner. Så nogle gange spretter de fra hinanden. Det er super sjældent, fordi du er nødt til at vente på, at wibble-slingeren sker på lige det rigtige tidspunkt, men det kan ske.

Fraser:
Så hvordan interagerer de med sorte huller?

Paul:
Okay, dette er hjertet i sagen. Hvad har alle disse virtuelle partikler eller wibly wobbly elektromagnetiske felter at gøre med sorte huller, og specifikt Hawking stråling? Men tjek dette. Hawkings originale formulering af denne idé om, at sorte huller kan udstråle og miste masse, har faktisk intet at gøre med virtuelle partikler. Eller det taler ikke direkte om virtuelle partikelpar, og faktisk taler ingen andre formuleringer eller mere moderne forestillinger om denne proces om virtuelle partikelpar.

I stedet snakker de mere om selve marken og specifikt hvad der sker med marken, før det sorte hul er der, hvad der sker med det, som det sorte hul dannes, og derefter hvad der sker med marken, efter at det er dannet. Og det stiller slags et spørgsmål: Hvad sker der med disse veltende, vaggende bit af marken, disse kan lide forbigående slags kogende karakter af vakuumet i det elektromagnetiske felt? Hvad sker der med det, at det sorte hul dannes?

Hvad der sker, er, at nogle af de veltende, vinglende bits bare bliver fanget i nærheden af det sorte hul, nær begivenhedshorisonten, som det er ved at dannes, og de tilbringer lang tid der, og til sidst slipper de ud. Så det tager et stykke tid, men når de slipper ud på grund af den intense krumning der, den intense krumning af rum-tid, kan de blive styrket eller forfremmet. Så i stedet for at være midlertidigt svabelt wobbly's, i marken får de boost til at blive "rigtige" partikler eller "rigtige" fotoner. Så det er virkelig som et samspil mellem dannelsen af selve det sorte hul med det veltende, wobbly baggrundsfelt, der til sidst slipper ud, fordi det ikke helt er fanget af det sorte hul.

Til sidst slipper det og bliver til virkelige partikler, og du kan beregne som det, der sker med, siger det forventede antal partikler nær begivenhedshorisonten for det sorte hul. Svaret er det negative tal, hvilket betyder, at det sorte hul mister masse og udspytter partikler.

Nu er denne populære opfattelse af virtuelle partikelpar dukker op i eksistensen og en bliver fanget i begivenhedshorisonten. Det er ikke nøjagtigt bundet til matematik for Hawking-stråling, men det er heller ikke nøjagtigt forkert. Husk, at de svøbelige vugger i det elektromagnetiske felt er relateret til disse par partikler og antipartikler, der konstant popper ind og ud af eksistensen. De går slags hånd i hånd. Så ved at tale om wibbly wobbly's i marken, taler du også slags om produktion af virtuelle partikler. Og det er ikke nøjagtigt matematikken, men du kender tæt nok.

Fraser:
Okay, og endelig, Paul. Jeg har brug for dig til bare tilfældigt at sprænge seerne sind. Noget ved virtuelle partikler, der bare er fantastisk!

Paul:
I orden. Så du vil bøje folks sind? Okay. Jeg sparte dette til sidst. Noget saftigt, bare for dig, Fraser.

Tjek dette, det er et andet stort bevis, vi har for eksistensen af disse baggrundsudsving og eksistensen af virtuelle partikler, og det er noget, vi kalder Casimir-effekten eller Casimir-styrken.

Du tager to neutrale metalplader, og hvad der sker er dette felt, der gennemsyrer al plads-tid, er inden i pladerne og det er uden for pladerne. Inde i pladerne kan du kun have visse bølgelængder af tilstande. Næsten som indersiden af en trompet kan kun have visse tilstande, der giver lyd. Enderne af bølgelængderne skal forbinde til pladerne, fordi det er hvad metalplader gør for elektromagnetiske felter.

Uden for pladerne kan du have en hvilken som helst bølgelængde, du ønsker. Det betyder ikke noget.

Så det betyder uden for pladerne at du har et uendeligt antal mulige bølgelængder af tilstande. Enhver mulig mulig fluktuation, wibble wabble i det elektromagnetiske felt er der, men inde i pladerne er det kun visse bølgelængder, der kan passe ind i pladerne.

Nu udenfor er der et uendeligt antal tilstande. Inde i er der stadig et uendeligt antal tilstande, bare lidt færre uendelige antal tilstande. Og du kan tage uendeligheden udefra og trække den uendelige uendelighed indvendigt og faktisk få et endeligt antal, og hvad du ender med er et tryk eller en kraft, der bringer pladerne sammen. Og vi har faktisk målt dette. Dette er en rigtig ting, og ja, jeg tuller ikke med, du kan tage uendeligt minus en anden uendelighed og få et endeligt antal. Er det muligt. Et eksempel er Euler Mascheroni Constant. Jeg tør dig se det op!

Så der går du, nu håber jeg, at du forstår, hvad disse virtuelle partikler er, hvordan de bliver opdaget, og hvordan de bidrager til fordampningen af et sort hul.

Og hvis du ikke allerede har gjort det, skal du sørge for at klikke her og gå til hans kanal. Du finder snesevis af videoer, der svarer på lige så bøjende spørgsmål. Faktisk, send dine spørgsmål, og han laver måske bare en video og besvarer dem.