particule virtualeSe pare că Universul este plin cu particule şi antiparticule care apar şi dispar în permanenţă. Sunt aceste particule reale? Veţi afla răspunsul la această întrebare în acest articol.

 

 

 

Astăzi voi răspunde unui cititor care mi-a scris următoarele:

„Procesul prin care particulele virtuale apar şi dispar în permanenţă pare a fi în contradicţie cu principiul de bază prin care energia nu poate fi creată sau distrusă. Sper să puteţi să ne explicaţi cum apar particulele virtuale, ce sunt ele cu adevărat şi de ce acest proces este similar unor fluctuaţii cuantice".

Am mai spus-o şi o voi spune din nou. Într-un univers cuantic tot ceea ce există are un caracter de incertitudine. Aceia dintre voi care sunt familiarizaţi cu principiul de incertitudine al lui Heisenberg îşi amintesc, probabil, că acesta este în legătură cu faptul că nu putem măsura poziţia şi impulsul unei particule decât în limita unui anumit grad de incertitudine combinat. Dacă măsuraţi, de exemplu, poziţia unei particule cu o precizie ridicată atunci nu veţi fi foarte siguri cu privire la impulsul acesteia şi viceversa.

Dar mai există o altă parte a principiului de incertitudine care reprezintă o adevărată provocare la adresa principiului de conservare a energiei: puteţi crea particule pentru o scurtă perioadă de timp, dar cu cât acestea sunt mai masive, cu atât vor dura mai puţin. Pentru un fizician, masa şi energia sunt interschimbabile, astfel încât această afirmaţie este în esenţă similară cu a spune că puteţi avea o incertitudine în ceea ce priveşte energia şi cu cât această incertitudine este mai mare cu atât mai puţin timp veţi fi nesiguri cu privire la faptul dacă aceste particule chiar există.



Gândiţi-vă la acest fapt ca la ceva similar acţiunii din filmele Superman III sau Office Space (n.tr.: este vorba de o tactică de rotunjire a sumelor de bani tranzacţionate cu foarte puţin în minus, "deturnând" astfel foarte puţin din sumele dintr-o serie de tranzacţii financiar-bancare, ajungându-se la sume "deturnate" totale foarte mari pentru un număr impresionant de tranzacţii). Eroarea de rotunjire este atât de mică încât nimeni nu o va observa şi totul se presupune că ar trebui, în cele din urmă, să se anuleze. Deci, pe ansamblu, principiul conservării energiei se va aplica, în cele din urmă, după trecerea acelor fracţiuni microscopice dintr-o secundă.

Cu toate acestea, ce se înţelege prin particule virtuale?

Puteţi reciti excelentul ghid al particulelor subatomice realizat de Alasdair. Printre alte lucruri, veţi afla că fotonul (adică lumina) este particula mediatoare a forţei electromagnetice. Ideea este că două particule încărcate electric, cum ar fi de exemplu electronii, schimbă în mod constant „fotoni virtuali" între ele, ceea ce-i face pe electroni să se respingă între ei.

Într-un anume sens acest lucru este doar un truc matematic. Noi de fapt nu vedem aceşti fotoni. În concluzie, de ce să spunem că aceştia sunt reali? Pentru a ne da seama de interacţiunea de ansamblu dintre electroni noi însumăm efectele unui număr infinit de configuraţii posibile de fotoni. Nu doar că există un număr infinit de posibilităţi, dar unele dintre acestea chiar nu par să aibă sens.

Se presupune că fotonii sunt lipsiţi de masă şi în consecinţă ei pot călători cu viteza luminii. Dar în calcule există mici contribuţii aduse de fotoni care au masă şi de unii care au efectiv o masă negativă. Electronii, gluonii, bosonii W apar în aceste calcule şi ori de câte ori trebuie să includem masa lor, masa „obişnuită" se dovedeşte a fi doar o sugestie de bun simţ, nu o regulă de bază, generală. Aceste încălcări ale valorilor obişnuite pot fi neglijate pentru că ele sunt doar virtuale. La sfârşitul calculelor toate particulele vor avea din nou masele lor obişnuite şi toate particulele virtuale se întorc înapoi în vidul din care au apărut.

Şi nu este vorba aici doar despre efectuarea unor calcule. Chiar şi în cazul aşa-numitului vid, particulele virtuale apar şi dispar în permanenţă, dar numai sub formă de perechi. Chiar în acest moment, în jurul vostru perechi formate din electroni şi pozitroni, antiparticulele electronilor, sunt create şi se anihilează reciproc într-un interval de o miliardime dintr-o trilionime de secundă. Acelaşi lucru este valabil (dar cu o durată de viaţă mai mică) pentru aproape fiecare alt set posibil de perechi de particule/antiparticule.

Asta ne spun ecuaţiile, dar dacă particulele virtuale apar doar în ecuaţii atunci cum putem spune că ele chiar sunt reale?

Iată cum.

După toate acestea aţi putea fi tentaţi să credeţi că aici este vorba de fapt doar despre un truc de matematică. Particulele virtuale nu durează foarte mult, apar întotdeauna în perechi, sarcina pozitivă o va anula întotdeauna pe cea negativă, astfel încât este greu să ne imaginăm cum le-am putea detecta. Dar particulele virtuale sau cel puţin efectul lor net pot fi într-adevăr detectate, cel puţin în mod indirect.

Unul dintre cele mai renumite experimente care au susţinut ideea că particulele virtuale sunt într-adevăr reale este aşa-numitul efect Casimir. Să presupunem că aveţi o pereche de plăci conductoare. Deoarece acestea conduc electricitatea, nu puteţi produce un câmp electric în interiorul lor. În consecinţă, pot exista doar anumite lungimi de undă ale „fotonilor virtuali". Acest lucru înseamnă că există o densitate de energie mai mică intre plăci decât în afara lor, iar acestea vor fi împinse una spre alta pentru că Universului îi place într-adevăr să facă în aşa fel încât energia să se afle la un nivel cât mai scăzut posibil. Hendrik Casimir a măsurat acest fenomen în anul 1948, dar vă avertizez să nu încercaţi acasă să efectuaţi acest experiment, deoarece efectul său este foarte mic şi necesită un vid pronunţat.

Efectul Casimir

Mai mult, în cazul în care aceste particule virtuale sunt reale, atunci gravitaţia ar trebui să le „vadă". La urma urmei gravitaţia ar trebui să reacţioneze la orice formă de energie din Univers. Aceasta este o posibilă explicaţie pentru „energia întunecată". Cu toate acestea, aşa cum am explicat într-un articol anterior, cea mai simplă versiune a acestui calcul conduce la o valoare care este de aproximativ 10^100 ori mai mare decât energia întunecată pe care o măsoară în realitate cosmologii. Aceasta nu este o problemă lipsită de importantă.

Şi ele nu trebuie să rămână virtuale pentru totdeauna.

Lăsaţi-mă să filozofez pentru un moment, dacă nu vă supăraţi. Să presupunem că undeva în inima galaxiei Andromeda, aflată la aproximativ 2,5 milioane de ani-lumină depărtare de noi, există un electron. Acolo există, desigur, un număr foarte mare de electroni. Electronii creează un câmp electric, ceea ce înseamnă că ei schimbă între ei fotoni virtuali, dintre care unii călătoresc prin spaţiu timp de 2,5 milioane ani pentru ca în cele din urmă să fie eventual absorbiţi de un electron de aici de pe Pământ. În tot acest interval de timp a fost fotonul într-adevăr virtual? Ei bine, cred că da. Singurul motiv pentru care particulele virtuale sunt considerate virtuale este pentru că ele apar şi dispar înainte de a putea să le măsurăm.

Chiar dacă aceste particule apar iniţial ca fiind virtuale, nu este obligatoriu ca ele să rămână în această stare. Să ne ocupăm de un exemplu mai concret: găurile negre.

Să presupunem că vă aflaţi în apropiere de marginea unei găuri negre dintr-un motiv oarecare. Dintr-o dată un electron şi un pozitron apar ca de nicăieri. „Nu este nicio problemă", aţi putea gândi, „ele oricum se vor îndepărta destul de repede". Electronul ar putea însă cădea în interiorul orizontului găurii negre şi atunci el este pierdut pentru totdeauna. Pozitronul în acest caz se va transforma din virtual în real şi va zbura în cosmos. Acest lucru, aşa cum cititorii noştri probabil ştiu deja, reprezintă cauza apariţiei radiaţiei Hawking. Trebuie să subliniez că radiaţia Hawking nu a fost încă detectată, dar cu toate acestea suntem destul de încrezători în existenţa ei.

O variantă a acestui proces este posibil să se fi produs, de asemenea, în Universul foarte timpuriu. Într-o mică fracţiune de secundă după evenimentul Big Bang au fost create, în mod constant, perechi de particule. Dar în timpul perioadei de inflaţie, s-a produs o creştere bruscă a mărimii Universului, iar particule care s-au aflat iniţial unele lângă altele au fost separate de distanţe uriaşe astfel încât acestea nu s-au mai putut, în cele din urmă, recombina. Aceste particule, de asemenea, s-au transformat din particule virtuale în particule reale şi ele se află, de altfel, la originea tuturor structurilor cosmice din prezent.

Din acest punct de vedere cu toţii suntem compuşi din particule virtuale care au devenit reale. Din fericire pentru noi!



Traducere de Cristian-George Podariu după are-virtual-particles-for-real.