Tabloul particulelor elementare
Un instrument matematic ingenios, cunoscut sub numele de „particule virtuale”, dezvăluie mecanismele ciudate și misterioase ale particulelor subatomice. Ce se întâmplă cu aceste particule în interiorul atomilor ar rămâne neexplicat fără acest instrument.
Calculele folosind particule virtuale prezic comportamentul bizar al particulelor subatomice cu o precizie atât de mare, încât unii oameni de știință cred că „trebuie să existe cu adevărat”.
Particulele virtuale nu sunt reale, asta spune chiar numele lor, dar dacă vrei să înțelegi cum interacționează particulele reale între ele, ele sunt inevitabile. Sunt instrumente esențiale pentru descrierea a trei dintre forțele găsite în natură: forța electromagnetică și forța nucleară tare și forța nucleară slabă.
Particulele reale sunt „ceva-uri” de energie care pot fi „văzute” sau detectate cu instrumentele corespunzătoare; această caracteristică le face observabile, adică reale.
Particulele virtuale, în schimb, reprezintă un instrument matematic sofisticat și nu pot fi văzute.
Fizicianul Richard Feynman le-a inventat pentru a descrie interacțiunile dintre particulele reale.
Totuși, mulți fizicieni nu sunt convinși de această distincție clară. Deși cercetătorii nu pot detecta aceste particule virtuale, ca instrumente de calcul ele prezic numeroase efecte subtile pe care experimente ultrasensibile le-au confirmat cu o precizie uluitoare de 12 zecimale. Această precizie este echivalentă cu măsurarea distanței dintre Polul Nord și Polul Sud cu o eroare mai mică decât diametrul unui fir de păr.
Acest nivel de concordanță între măsurători și calcule face ca particulele virtuale să reprezinte ideea cea mai bine verificată din știință. Aceasta îi determină pe unii fizicieni să se întrebe: poate un instrument matematic să fie considerat „real”?
Un instrument de calcul
Particulele virtuale sunt instrumentul pe care fizicienii îl folosesc pentru a calcula cum funcționează forțele în lumea microscopică subatomică. Aceste forțe sunt reale pentru că pot fi măsurate.
Dar, în loc să încerce să calculeze forțele direct, fizicienii folosesc un sistem de calcul în care particulele virtuale efemere transportă forța. Particulele virtuale nu doar că fac calculele mai gestionabile, ci rezolvă și o problemă veche în fizică: cum acționează o forță prin spațiul gol?
Particulele virtuale exploatează incertitudinea naturală a lumii subatomice, unde, dacă aceste particule efemere trăiesc suficient de puțin, ele pot împrumuta temporar energie din vid.
Incertitudinea echilibrului energetic ascunde acest mic dezechilibru, permițând particulelor virtuale să influențeze lumea reală.
Un mare avantaj al acestui instrument este că operațiile matematice care descriu forțele dintre particule pot fi vizualizate sub formă de diagrame. Acestea seamănă cu desene stilizate de ping-pong cu particule virtuale. Diagramele – numite diagrame Feynman – oferă un cadru intuitiv excelent, dar conferă și o aură de realitate particulelor virtuale, ceea ce este înșelător.
Uimitor, această metodă de calcul bazată pe particule virtuale produce unele dintre cele mai precise predicții din întreaga știință.
Verificarea realității
Toată materia este alcătuită din blocuri fundamentale numite atomi. Atomii, la rândul lor, sunt compuși din particule mici încărcate pozitiv, numite protoni, aflați în nucleul lor, înconjurați de particule și mai mici, încărcate negativ, numite electroni.
Ca profesor de fizică și astronomie la Mississippi State University, efectuez experimente care se bazează adesea pe ideea că electronii și protonii văzuți în instrumentele noastre interacționează prin schimb de particule virtuale. Colegii mei și cu mine am măsurat recent dimensiunea protonului cu o precizie foarte mare, bombardând atomii de hidrogen cu un fascicul de electroni. Această măsurătoare presupune că electronii pot „simți” protonul din centrul atomului de hidrogen prin schimbul de fotoni virtuali: particule de energie electromagnetică.
Fizicienii folosesc particule virtuale pentru a calcula modul în care doi electroni se resping reciproc, cu o precizie excepțională. Forțele implicate sunt reprezentate ca efectul cumulat al schimbului de fotoni virtuali dintre cei doi electroni.
Când două plăci metalice sunt plasate extrem de aproape una de cealaltă într-un vid, ele se atrag: acest fenomen este cunoscut ca „efectul Casimir”. Fizicienii pot calcula cu exactitate forța care atrage plăcile folosind matematica particulelor virtuale. Indiferent dacă particulele virtuale există cu adevărat sau nu, matematica prezice exact ceea ce observă cercetătorii în lumea reală.
O altă predicție misterioasă făcută cu ajutorul instrumentelor particulelor virtuale este așa-numita „radiație Hawking”. Când perechi de particule virtuale apar la marginea găurilor negre, uneori gravitația găurii negre captează un partener, în timp ce celălalt scapă. Această „ruptură” determină evaporarea lentă a găurii negre. Deși radiația Hawking nu a fost observată direct, cercetătorii au reușit să o detecteze indirect.
N. tr. - cum menționam într-un alt articol, această explicație este metaforică, dat fiind că introduce artificial ideea de „energie negativă”.
Ficțiune utilă
Să revenim la întrebare: poate un instrument matematic să devină real? Dacă poți prezice perfect totul despre o forță imaginând că este transportată de particule virtuale, aceste particule pot fi considerate reale? Contează că statutul lor este fictiv?
Fizicienii rămân împărțiți în legătură cu aceste întrebări. Unii preferă să „tacă și să calculeze” – una dintre celebrele replici ale lui Feynman. Deocamdată, particulele virtuale sunt cea mai bună modalitate de a descrie comportamentul particulelor. Totuși, cercetătorii dezvoltă metode care nu mai au nevoie de acestea.
Dacă vor avea succes, aceste abordări ar putea face ca particulele virtuale să dispară pentru totdeauna.
Indiferent de rezultat, existența acestor metode sugerează că particulele virtuale ar putea fi mai degrabă o ficțiune utilă decât o realitate fizică.
Aceasta se înscrie și în tiparul revoluțiilor anterioare din știință – exemplul eterului vine primul în minte. Fizicienii au inventat eterul ca mediu prin care se propagau undele luminoase. Experimentele se potriveau bine cu calculele folosind acest instrument, dar nu l-au putut detecta efectiv. În cele din urmă, teoria relativității a lui Einstein a arătat că era inutil.
N.tr - dar tot Einstein a încercat să reintroducă ideea de eter, modificată.
Particulele virtuale reprezintă un paradox izbitor al fizicii moderne. Nu ar trebui să existe și totuși acestea sunt indispensabile pentru calcularea tuturor fenomenelor, de la forța magneților până la comportamentul găurilor negre.
Particulele virtuale reprezintă un problemă profundă: uneori, cele mai bune descoperiri cu privire la natura realității se produc prin intermediul unor iluzii atent construite. În cele din urmă, confuzia legată de particulele virtuale poate fi doar prețul pe care îl plătim pentru a înțelege forțele fundamentale.
Traducere după Virtual particles: How physicists’ clever bookkeeping trick could underlie reality de Dipangkar Dutta, profesor de fizică nucleară, Mississippi State University.
