Un instrument matematic ingenios, cunoscut sub numele de particule virtuale, dezvăluie mecanismele interne stranii și misterioase ale particulelor subatomice. Ceea ce se întâmplă cu aceste particule din atomi ar rămâne inexplicabil fără acest instrument.
Calculele care utilizează particule virtuale prezic comportamentul bizar al particulelor subatomice cu o precizie atât de uimitoare încât unii oameni de știință cred că acestea „trebuie să existe cu adevărat”.
Particulele virtuale nu sunt reale – așa indică chiar numele lor – dar dacă vrei să înțelegi cum interacționează particulele reale între ele, ele sunt inevitabile. Ele sunt instrumente esențiale pentru a descrie 3 dintre forțele fundamentale din natură: electromagnetismul și forțele nucleare tari și slabe.
Particulele reale sunt aglomerări de energie care pot fi „văzute” sau detectate cu instrumente adecvate. Această caracteristică este cea care le face observabile sau reale. Particulele virtuale, pe de altă parte, sunt un instrument matematic sofisticat și nu pot fi observate.
Fizicianul Richard Feynman a inventat particulele virtuale pentru a descrie interacțiunile dintre particulele reale, însă mulți fizicieni nu sunt convinși de această distincție categorică.
Deși cercetătorii nu pot detecta aceste particule virtuale, ei prevăd multe efecte subtile ale acestora pe care experimentele ultrasensibile le-au confirmat cu o precizie uluitoare de 12 zecimale. Această precizie este ca și cum ai măsura distanța dintre polul Nord și polul Sud cu o precizie mai mare decât lățimea unui fir de păr.
Acest nivel de concordanță între măsurători și calcule face ca particulele virtuale să fie ideea cea mai temeinic verificată din știință. Îi obligă pe unii fizicieni să se întrebe: Poate un instrument matematic să devină real?
Particulele virtuale sunt instrumentul pe care fizicienii îl folosesc pentru a calcula modul în care funcționează forțele în lumea subatomică microscopică. Forțele sunt reale deoarece pot fi măsurate.
Însă, în loc să încerce să calculeze forțele direct, fizicienii folosesc un instrument matematic în care particulele virtuale de scurtă durată poartă forța. Particulele virtuale nu numai că fac calculele mai ușor de gestionat, dar rezolvă și o problemă persistentă din fizică: cum acționează o forță în spațiul gol ?
Particulele virtuale exploatează neclaritatea naturală a lumii subatomice, unde, dacă aceste particule efemere trăiesc suficient de puțin timp, își pot împrumuta pentru scurt timp energia din spațiul gol. Neclaritatea echilibrului energetic ascunde acest dezechilibru de scurtă durată, ceea ce permite 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 tind să arate ca niște desene animate cu figurine, în care se joacă ping-pong cu particule virtuale. Diagramele – denumite diagrame Feynman – oferă un cadru intuitiv excelent, dar conferă și particulelor virtuale o aură de realitate înșelătoare.
Diagramele Feynman îi ajută pe fizicieni să calculeze interacțiunile dintre particule.
În mod uimitor, această metodă de calcul bazată pe particule virtuale produce unele dintre cele mai precise predicții din întreaga știință.
Toată materia este alcătuită din elemente constitutive de bază numite atomi. Atomii, la rândul lor, sunt alcătuiți din particule mici, încărcate electric pozitiv, numite protoni, care se găsesc în nucleul atomilor, înconjurate de particule și mai mici, încărcate electric negativ, numite electroni.
Ca profesor de fizică și astronomie la Universitatea de Stat din Mississippi, efectuez experimente care se bazează adesea pe ideea că electronii și protonii observați în instrumentele noastre interacționează prin schimbul de particule virtuale.
Colegii mei și cu mine am măsurat recent dimensiunea protonului foarte precis, bombardând atomii de hidrogen cu un fascicul de electroni. Această măsurare 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 deosebită. Forțele implicate sunt reprezentate ca efectul acumulat al schimbului de fotoni virtuali dintre cei doi electroni.
Atunci când două plăci metalice sunt plasate extrem de aproape una de cealaltă în vid, acestea se atrag reciproc: acest fenomen este cunoscut sub numele de efectul Casimir. Fizicienii pot calcula cu precizie forța care atrage plăcile împreună folosind matematica particulelor virtuale.
Indiferent dacă particulele virtuale sunt cu adevărat prezente sau nu, matematica prezice exact ceea ce cercetătorii observă în lumea reală.
O altă predicție misterioasă făcută folosind kitul de instrumente pentru particule virtuale este așa-numita radiație Hawking. Atunci când perechi de particule virtuale apar la marginea găurilor negre, uneori gravitația găurii negre prinde un partener, în timp ce celălalt scapă. Această ruptură face ca gaura neagră să se evapore lent. Deși radiația Hawking nu a fost încă observată direct, cercetătorii au observat-o recent indirect.
Credit: Logan Voss/unsplash.com
Să revenim la întrebare: Poate un instrument matematic să devină real? Dacă poți prezice perfect totul despre o forță imaginându-ți că este purtată de particule virtuale, aceste particule se califică drept reale? Contează statutul lor fictiv?
Fizicienii rămân împărțiți în privința acestor 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 cum se comportă particulele, dar cercetătorii dezvoltă metode alternative care nu au deloc nevoie de ele.
Dacă vor avea succes, aceste abordări ar putea face ca particulele virtuale să dispară definitiv. Fie că au succes sau nu, faptul că există alternative sugerează că particulele virtuale ar putea fi o ficțiune utilă, mai degrabă decât un adevăr fizic.
De asemenea, această perspectivă se potrivește cu modelul revoluțiilor științifice anterioare – exemplul eterului îmi vine în minte. Fizicienii au inventat eterul ca mediu prin care se deplasează undele luminoase. Experimentele s-au potrivit bine cu calculele care utilizează acest instrument, dar nu l-au putut detecta efectiv. În cele din urmă, teoria relativității a lui Einstein a arătat că nu este necesară.
Particulele virtuale reprezintă un paradox izbitor al fizicii moderne. Nu ar trebui să existe, totuși sunt indispensabile pentru calcularea tuturor aspectelor, de la puterea magneților până la comportamentul găurilor negre.
Particulele virtuale reprezintă o dilemă profundă: uneori, cele mai bune perspective asupra realității vin prin iluzii construite cu grijă. În cele din urmă, confuzia din jurul particulelor virtuale poate fi doar prețul înțelegerii forțelor fundamentale.
Traducere după Virtual particles: How physicists’ clever bookkeeping trick could underlie reality
Comentariu Facebook