ذرات مجازی: چگونه ترفند حسابداری هوشمندانه فیزیکدانان ممکن است زیربنای واقعیت باشد
این مقاله در ابتدا در تاریخ منتشر شده است گفتگو. این نشریه مقاله را به Space.com ارائه کرد صدای متخصص: Op-Ed & Insights.
یک ابزار ریاضی هوشمند که به نام ذرات مجازی عملکرد درونی عجیب و مرموز ذرات زیراتمی را باز می کند. آنچه برای این ذرات در اتم ها اتفاق می افتد بدون این ابزار غیرقابل توضیح باقی می ماند. محاسبات با استفاده از ذرات مجازی، رفتار عجیب ذرات زیراتمی را با چنان دقت غیرعادی پیش‌بینی می‌کنند که برخی از دانشمندان معتقدند «واقعاً باید وجود داشته باشند».
ذرات مجازی واقعی نیستند – این چیزی است که نام آنها می گوید – اما اگر می خواهید درک کنید که ذرات واقعی چگونه با یکدیگر تعامل دارند، اجتناب ناپذیر هستند. آنها ابزار اساسی برای توصیف سه نیروی موجود در طبیعت هستند: الکترومغناطیسو قوی و هسته ای ضعیف نیروها
ذرات واقعی توده های انرژی هستند که می توان آنها را “دیده” یا با ابزار مناسب تشخیص داد. این ویژگی آنها را قابل مشاهده یا واقعی می کند. از طرف دیگر ذرات مجازی یک ابزار پیچیده ریاضی هستند و قابل مشاهده نیستند. فیزیکدان ریچارد فاینمن آنها را برای توصیف فعل و انفعالات بین ذرات واقعی اختراع کرد.
اما بسیاری از فیزیکدانان با این تمایز قانع نشده اند. اگرچه محققان نمی توانند این ذرات مجازی را شناسایی کنند، اما آنها ابزارهای محاسباتی هستند اثرات بسیار ظریف را پیش بینی می کند که آزمایش‌های فوق حساس به ۱۲ رقم اعشار شگفت‌انگیز تایید کرده‌اند. این دقت مانند اندازه گیری فاصله بین قطب شمال و جنوب بهتر از عرض یک مو است.
این سطح از توافق بین اندازه گیری ها و محاسبات، ذرات مجازی را به بهترین ایده در علم تبدیل می کند. این باعث می شود برخی از فیزیکدانان بپرسند: آیا یک ابزار ریاضی می تواند واقعی شود؟
تماشا کنید
ذرات مجازی ابزاری هستند که فیزیکدانان برای محاسبه نحوه عملکرد نیروها در دنیای زیراتمی میکروسکوپی استفاده می کنند. نیروها واقعی هستند زیرا قابل اندازه گیری هستند.
اما به جای تلاش برای محاسبه مستقیم نیروها، فیزیکدانان از یک سیستم حسابداری استفاده می کنند که در آن ذرات مجازی کوتاه مدت نیرو را حمل می کنند. ذرات مجازی نه تنها محاسبات را قابل کنترل تر می کنند، بلکه یک مشکل دیرینه در فیزیک را حل می کنند: نیرو در فضای خالی چگونه عمل می کند؟
استفاده از ذرات مجازی ابهام طبیعی دنیای زیراتمیکه اگر این ذرات زودگذر به اندازه کافی کوتاه باشند، می توانند عمر کوتاهی نیز داشته باشند انرژی خود را از فضای خالی قرض می گیرند. ابهام در تراز انرژی این عدم تعادل کوتاه را پنهان می کندکه به ذرات مجازی اجازه می دهد تا بر دنیای واقعی تأثیر بگذارند.
یکی از مزیت های اصلی این ابزار این است که عملیات ریاضی که نیروهای بین ذرات را توصیف می کند را می توان به صورت نمودار مشاهده کرد. آنها تمایل دارند شبیه کارتون های پینگ پنگ ذرات بازی شده با ذرات مجازی باشند. نمودارها – تکراری نمودارهای فاینمن – یک چارچوب بصری عالی ارائه دهید، اما به ذرات مجازی هاله ای از واقعیت فریبنده نیز بدهید.
به طور شگفت انگیزی، این روش محاسباتی مبتنی بر ذرات مجازی، برخی از دقیق ترین پیش بینی ها را در تمام علوم به دست می دهد.
تماشا کنید
بررسی واقعیت
تمام مواد از بلوک های ساختمانی اساسی به نام اتم تشکیل شده اند. اتم ها به نوبه خود از کوچک ساخته شده اند ذرات با بار مثبت به نام پروتون در هسته آنها یافت می شود، حتی با موارد کوچکتر احاطه شده است ذرات باردار منفی به نام الکترون.
به عنوان استاد در فیزیک و نجوم در دانشگاه ایالتی می سی سی پیآزمایش‌هایی را انجام دهید که اغلب بر این ایده تکیه می‌کنند که الکترون‌ها و پروتون‌های مشاهده‌شده در ابزار ما با تبادل ذرات مجازی برهم‌کنش می‌کنند. اخیرا من و همکارانم اندازه گیری کردیم اندازه پروتون بسیار دقیق، با بمباران اتم های هیدروژن با پرتوی از الکترون. این اندازه‌گیری نشان می‌دهد که الکترون‌ها می‌توانند با تبادل فوتون‌های مجازی، پروتون را در مرکز اتم هیدروژن حس کنند: ذرات انرژی الکترومغناطیسی.
فیزیکدانان از ذرات مجازی برای محاسبه اینکه چگونه دو الکترون یکدیگر را با دقت بسیار زیاد دفع می کنند، استفاده می کنند. نیروهای درگیر به عنوان اثر تجمعی دو الکترون در تبادل فوتون های مجازی نشان داده می شوند.
هنگامی که دو صفحه فلزی بسیار نزدیک به هم در خلاء قرار می گیرند، یکدیگر را جذب می کنند: به این نام می گویند اثر کازیمیر. فیزیکدانان با استفاده از ریاضیات ذرات مجازی می توانند نیرویی را که صفحات را به هم می کشد دقیقا محاسبه کنند. این که آیا ذرات مجازی واقعاً وجود دارند یا نه، ریاضیات دقیقاً آنچه را که محققان در دنیای واقعی مشاهده می کنند، پیش بینی می کند.
یکی دیگر از پیش‌بینی‌های مرموز که با استفاده از Virtual Particle Toolkit انجام می‌شود، به اصطلاح است تشعشعات هاوکینگ. هنگامی که جفت ذرات مجازی در لبه ظاهر می شوند سیاه چاله ها، گاهی اوقات گرانش سیاهچاله یک شریک را می گیرد در حالی که دیگری فرار می کند. این ترک باعث می شود سیاهچاله به آرامی تبخیر شود. اگرچه تشعشعات هاوکینگ هنوز به طور مستقیم مشاهده نشده است، محققان اخیراً این کار را انجام داده اند غیر مستقیم آن را مشاهده می کند.
داستان مفید
بیایید به این سوال برگردیم: آیا یک ابزار ریاضی می تواند واقعی شود؟ اگر بتوانید همه چیز را در مورد یک نیروی معین با تصور کردن آن توسط ذرات مجازی پیش بینی کنید، آیا آن ذرات واجد شرایط واقعی هستند؟ آیا وضعیت داستانی آنها اهمیتی دارد؟
فیزیکدانان در مورد این مسائل اختلاف نظر دارند. برخی ترجیح می دهند “فقط ساکت شو و حساب کن” – یکی از کنایه های معروف فاینمن. تاکنون، ذرات مجازی بهترین راه ما برای توصیف نحوه رفتار ذرات هستند. اما محققان در حال تکامل هستند روش های جایگزین که اصلا به آنها نیاز ندارند.
در صورت موفقیت، این رویکردها می توانند ذرات مجازی را برای همیشه ناپدید کنند. موفقیت یا عدم موفقیت، این واقعیت که اصلاً جایگزین‌ها وجود دارد، نشان می‌دهد که ذرات مجازی ممکن است یک داستان مفید باشد تا یک حقیقت فیزیکی. همچنین با الگوی انقلاب های قبلی در علم مطابقت دارد – مثال اتر به ذهن می رسد. فیزیکدانان اتر را اختراع کردند به عنوان رسانه ای که امواج نور از آن عبور می کنند. آزمایش‌ها با محاسبات با استفاده از این ابزار به خوبی مطابقت داشتند، اما در واقع نتوانستند آن را تشخیص دهند. در نهایت، نظریه نسبیت انیشتین غیرضروری نشان داده شد.
ذرات مجازی پارادوکس قابل توجهی از فیزیک مدرن هستند. آنها نباید وجود داشته باشند، اما برای محاسبه همه چیز از قدرت آهنربا گرفته تا رفتار سیاهچاله ها ضروری هستند. آنها یک معضل عمیق را ارائه می دهند: گاهی اوقات بهترین بینش در مورد واقعیت از طریق یک توهم به دقت ساخته شده است. از این گذشته، سردرگمی در مورد ذرات مجازی ممکن است فقط بهای درک نیروهای بنیادی باشد.
این مقاله توسط تیاو مکالمه تحت مجوز Creative Commons. ادامه مطلب مقاله اصلی.
