MITä OVAT VIRTUAALIHIUKKASET?

Send

Joskus tajuan artikkeleideni heikon paikan saamiensa sähköpostiviestien ja kommenttien perusteella.

Yksi suosittu artikkeli, jonka teimme, koski Stephen Hawkingin käsitystä siitä, että mustien reikien on haihtuva valtavien ajanjaksojen ajan. Puhuimme mekanismista ja mainitsimme kuinka nämä virtuaaliset hiukkaset esiintyvät sisään ja poistuvat olemassaolosta.

Yleensä nämä hiukkaset tuhoutuvat itseään, mutta mustan aukon tapahtumahorisontin reunalla yksi hiukkas putoaa sisään, kun taas toinen voi vapaasti vaeltaa kosmosta. Koska et voi luoda hiukkasia tyhjästä, mustan aukon on uhrattava vähän itsestään tämän hiljattain muodostuneen hiukkasen vapauden ostamiseksi.

Mutta lyhyt artikkelini ei riittänyt selventämään tarkalleen, mitä virtuaaliset hiukkaset ovat. On selvää, että kaikki halusit lisätietoja. Mitä ne ovat? Kuinka ne havaitaan? Mitä tämä tarkoittaa mustia reikiä?

Tällaisissa tilanteissa, kun tiedän todellisen fysiikkapoliisin tarkkailevan, haluan soittaa soittoääniin. Palaan vielä kerran takaisin puhuakseni hyvän ystäväni ja varsinaisen työskentelevän astrofysiikan, tohtori Paul Matt Sutterin kanssa. Hän on kirjoittanut kirjoituksia aiheista, kuten kosmetiikan Daayn Bayesian Analysis ja Magneettisen virtauksen MHD-simulaatiot. Hän todella tietää tavaraa.

Fraser Cain:
Hei Paul, ensimmäinen kysymys: Mitkä ovat virtuaalihiukkaset?

Paul Matt Sutter:
Hyvä on. Ei painetta, Fraser. Selvä.

Virtuaalihiukkasten käsitteen saamiseksi sinun on itse asiassa askel taaksepäin ja ajateltava kenttää, erityisesti sähkömagneettista kenttää. Nykyisessä näkemyksessämme siitä, kuinka maailmankaikkeus toimii, kaikki tila ja aika ovat täynnä tällaista taustakenttää. Ja tämä kenttä voi pyörtyä ja värähtää ympäriinsä, ja joskus nämä värähtelytaskut ja -värit ovat kuin aaltoja, jotka etenevät eteenpäin, ja me kutsumme näitä aaltoja fotoneiksi tai sähkömagneettiseksi säteilyksi, mutta joskus se voi vain istua siellä ja tiedät bloop bloop bloop, vain tiedät pop poreile sisään ja ulos tai ylös ja alas, ja keitä vähän kuin yksin.

Itse asiassa koko aikatila on jonkinlainen värähtely / pyöritys tämän kentän ympärillä jopa tyhjiössä. Tyhjiö ei ole kaiken puuttuminen. Tyhjiö on juuri siellä missä tämä kenttä on alhaisimmassa energiatilassaan. Mutta vaikka se on siinä alhaisimmassa energiatilassa, vaikka keskimäärin siellä ei ole mitään. Mikään ei estä sitä tekemästä vain bloop bloop bloopia, jonka tiedät kuplivan.

Joten itse asiassa tyhjiö kiehuu näiden kenttien kanssa. Varsinkin sähkömagneettinen kenttä, josta puhumme tällä hetkellä.

Ja tiedämme, että fotonit, tuo valo, voivat muuttua partikkeleiksi, antihiukkaspariksi. Se voi muuttua elektroniksi ja positroniksi. Se voi vain tehdä tämän. Se voi tapahtua normaaleille fotoneille, ja niin voi tapahtua tällaisille väliaikaisesti heikosti heiluttaville fotoneille.

Joten joskus fotoni tai joskus sähkömagneettinen kenttä voi levitä paikasta toiseen, ja me kutsumme sitä fotoniksi. Ja että fotoni voi hajottaa positroniksi ja elektroneiksi, ja toisinaan se voi vain hieroa jonkin verran paikoillaan ja sitten heiluttaa heiluttaa POP POP. Se ponnahtaa positroniksi ja elektroniksi ja sitten ne törmäävät toisiinsa tai muuhun, ja he vain kiehua takaisin alas. Joten särkyvä heiluminen, pop-pop, poreallas ovat tyyppisiä mitä tyhjiössä tapahtuu koko ajan, ja se nimi, jonka annamme näille virtuaalihiukkasille, ovat vain normaalia sellaista taustan summaa tai tyhjiöön staattista taustaa.

Fraser:
Okei. Joten miten näemme todisteita virtuaalisista hiukkasista?

paul:
Kyllä, hieno kysymys. Tiedämme, että tyhjiössä on siihen liittyvää energiaa. Tiedämme, että nämä virtuaaliset hiukkaset ovat aina poreilemassa sisään ja poissa olemassaolosta muutamista syistä.

Yksi on elektronin siirtymä atomin eri tiloissa. Jos kiihdytät atomia, elektroni ponnahtaa korkeampaan energiatilaan. Ei ole mitään syytä, että elektroni palaa takaisin alhaisempaan energiatilaan. Se on jo siellä. Se on oikeasti vakaa tila. Sillä ei ole syytä lähteä, ellei sähkömagneettisessa kentässä ole vähän sipulavia huohteluita ja se voi kikattaa kyseisen elektronin ympäri ja lyödä sen pois korkeammasta energiatilasta ja lähettää sen kaatumasta alempaan tilaan.

Toinen asia on nimeltään Lamb Shift, ja tämä on silloin, kun joustavasti heilahtava sähkömagneettinen kenttä tai virtuaaliset hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa taas elektronien kanssa, sanoen vetyatomi. Se voi työntää hellästi niitä ympäri, ja tämä siirtymä vaikuttaa joihinkin elektronien tiloihin, ei muihin tiloihin. Ja on olemassa tosiasioita, joissa sanoisit olevan täsmälleen samoja sanottavia energiaominaisuuksia, ne ovat vain tavallaan samanlaisia, mutta koska Karitsan siirto, tämän joustavasti hämärtävän sähkömagneettisen kentän vuoksi, on vuorovaikutuksessa yhden kanssa näistä tiloista eikä toisen kanssa, se todella muuttaa hienovaraisesti näiden tilojen energiatasoja, vaikka olettaisitkin niiden olevan täysin samoja.

Ja toinen todiste on fotonien fotonien sironnassa, yleensä kaksi fotonia, phweeet, lentävät toistensa edessä. Ne ovat sähköisesti neutraaleja, joten heillä ei ole syytä olla vuorovaikutuksessa, mutta joskus fotonit voivat pyörtyä heiluttamaan sanottuihin elektroni- / positronipareihin, ja että elektroni- / positronipari voi olla vuorovaikutuksessa muiden fotonien kanssa. Joten joskus he poistuvat toisistaan. Se on erittäin harvinaista, koska joudut odottamaan, että heilahtelu tapahtuu juuri oikeaan aikaan, mutta se voi tapahtua.

Fraser:
Joten miten ne ovat vuorovaikutuksessa mustien reikien kanssa?

paul:
Okei, tämä on asian ydin. Mitä tekemistä kaikilla näillä virtuaalisilla hiukkasilla tai heilahtelevalla heiluttavalla sähkömagneettisella kentällä on mustien reikien ja erityisesti Hawkingin säteilyn kanssa? Mutta tarkista tämä. Hawkingsin alkuperäinen käsitys siitä, että mustat aukot voivat säteillä ja menettää massaa, ei oikeastaan ole mitään tekemistä virtuaalisten hiukkasten kanssa. Tai se ei puhu suoraan virtuaalihiukkasparista, eikä itse asiassa mikään muu formulaatio tai nykyaikaisempi käsitys tästä prosessista puhu virtuaalisista hiukkaspareista.

Sen sijaan he puhuvat enemmän itse kentästä ja erityisesti siitä, mitä tapahtuu pellolle ennen kuin musta aukko on olemassa, mitä tapahtuu sille, kun musta aukko muodostuu, ja mitä sitten kentälle tapahtuu sen muodostumisen jälkeen. Ja kysyy eräänlaista kysymystä: Mitä tapahtuu näille kentän heikosti hämärtyville biteille, näille kuten sähkömagneettisen kentän tyhjiön ohimenevä kiehuva luonne? Mitä tapahtuu, kun musta aukko on muodostumassa?

No, mitä tapahtuu, on, että jotkut viehättävästi heikkoista bitistä jäävät vain kiinni mustan aukon lähelle, tapahtumahorisontin lähelle sitä muodostuessaan, ja viettävät pitkään siellä, ja lopulta pakenevat. Joten se vie jonkin aikaa, mutta kun he pakenevat siellä olevan voimakkaan kaarevuuden, avaruus-ajan voimakkaan kaarevuuden vuoksi, he voivat saada lisäystä tai edistystä. Joten sen sijaan, että ne olisivat väliaikaisesti heilahtelevia, ne kentällä saavat tehostuksen tulla "oikeiksi" hiukkasiksi tai "oikeiksi" fotoneiksi. Joten se on todella kuin mustan reiän muodostumisen vuorovaikutus vierekkäin heilahtavan taustakentän kanssa, joka lopulta karkaa, koska se ei ole melko mustan aukon loukussa.

Lopulta se karkaa ja muuttuu oikeiksi hiukkasiksi, ja voit laskea kuten tapahtuu sanotulla hiukkasten odotetulla määrällä lähellä mustan aukon tapahtumahorisonttia. Vastaus on negatiivinen luku, mikä tarkoittaa, että musta aukko menettää massaa ja sylkee hiukkasia.

Nyt tämä suosittu käsitys virtuaalisista hiukkasparista aukeaa olemassaoloon ja yksi jää kiinni tapahtumahorisontin sisälle. Se ei ole täysin sidottu Hawkingin säteilyn matematiikkaan, mutta se ei ole myöskään täysin väärä. Muista, että sähkömagneettisessa kentässä hitaasti heilahtavat hiukkasparit ja antihiukkaset ovat jatkuvasti popping sisään ja poissa olemassaolosta. Ne kulkevat käsi kädessä. Joten puhumalla kentällä heilahtavasti, puhut myös tavallaan virtuaalisten hiukkasten tuotannosta. Eikä se ole tarkalleen matematiikkaa, mutta tiedät riittävän lähellä.

Fraser:
Okei, ja lopuksi, Paul. Tarvitsen sinua vain satunnaisesti puhaltamaan katsojien mielen. Jotain virtuaalihiukkasista, mikä on aivan uskomatonta!

paul:
Hyvä on. Joten haluat taivuttaa ihmisten mieltä? Selvä. Säästin tämän viimeisen. Jotain mehukas, vain sinulle, Fraser.

Tarkastele tätä, se on yksi suuri todiste näiden taustavaihteluiden ja virtuaalihiukkasten olemassaolosta, ja sitä kutsumme Casimir-ilmiöksi tai Casimir-voimeksi.

Otat kaksi neutraalia metallilevyä, ja mitä tapahtuu on, että koko avaruus-ajan läpäisevä kenttä on levyjen sisällä ja levyjen ulkopuolella. Levyjen sisällä voi olla vain tiettyjä moodien aallonpituuksia. Melkein kuin trumpetin sisällä voi olla vain tietyt äänentoistotilat. Aallonpituuksien päiden on liityttävä levyihin, koska juuri se metallilevyt tekevät sähkömagneettisille kentille.

Levyjen ulkopuolella voi olla mikä tahansa haluttu aallonpituus. Sillä ei ole merkitystä.

Se tarkoittaa, että levyjen ulkopuolella sinulla on ääretön määrä mahdollisia aallonpituuksia tiloja. Kaikentyyppisiä mahdollisia heilahteluita, värähtelevää vaakaa sähkömagneettisessa kentässä on olemassa, mutta levyjen sisällä on vain tietyt aallonpituudet, jotka mahtuvat levyjen sisään.

Nyt ulkopuolella on ääretön määrä tiloja. Sisällä on edelleen ääretön määrä tiloja, vain vähän vähemmän ääretöntä tilaa. Ja voit ottaa äärettömyyden ulkopuolelta ja vähentää äärettömän äärettömyyden sisäpuolelta, ja saada oikeastaan äärellisen luvun, ja mitä lopulta päätät, on paine tai voima, joka yhdistää levyt. Ja olemme todella mitanneet tämän. Tämä on todellinen asia, ja kyllä, en tee tosissani tekemistä, voit ottaa äärettömyyden vähennettynä erilaiselta äärettömyydeltä ja saada äärellisen numeron. Se on mahdollista. Yksi esimerkki on Euler Mascheroni-vakio. Uskallan sinun etsiä sitä!

Joten sinä menet, nyt toivon ymmärtävän, mitkä nämä virtuaaliset hiukkaset ovat, kuinka ne havaitaan ja miten ne edistävät mustan aukon haihtumista.

Ja jos et vielä ole, napsauta tätä ja siirry hänen kanavalle. Löydät kymmeniä videoita, joissa vastataan yhtä mielenkiintoisiin kysymyksiin. Itse asiassa, lähetä kysymyksesi ja hän saattaa vain tehdä videon ja vastata niihin.