Хитроумный математический инструмент, известный как виртуальные частицы, раскрывает странные и загадочные внутренние механизмы работы субатомных частиц. Без этого инструмента то, что происходит с этими частицами внутри атомов, осталось бы необъяснимым. Расчёты с использованием виртуальных частиц предсказывают странное поведение субатомных частиц с такой поразительной точностью, что некоторые учёные считают, что «они действительно должны существовать».
Виртуальные частицы не являются реальными — об этом говорит само их название — но если вы хотите понять, как реальные частицы взаимодействуют друг с другом, то виртуальные частицы незаменимы. Они являются важным инструментом для описания трёх сил, встречающихся в природе: электромагнетизма, сильного и слабого ядерных взаимодействий.
Реальные частицы — это скопления энергии, которые можно «увидеть» или обнаружить с помощью соответствующих приборов; эта особенность делает их наблюдаемыми, или реальными. Виртуальные частицы, с другой стороны, являются сложным математическим инструментом и увидеть их нельзя. Физик Ричард Фейнман придумал их, чтобы описать взаимодействия между реальными частицами.
Однако многие физики не убеждены в этом чётком разграничении. Хотя исследователи не могут обнаружить эти виртуальные частицы, как инструменты расчёта они предсказывают многие тонкие эффекты, которые сверхчувствительные эксперименты подтвердили с поразительной точностью — до 12 знаков после запятой. Такая точность сравнима с измерением расстояния между Северным и Южным полюсами с точностью до ширины одного волоса.
Такой уровень согласованности между измерениями и расчётами делает виртуальные частицы наиболее тщательно проверенной идеей в науке. Это заставляет некоторых физиков задаться вопросом: может ли математический инструмент на самом деле быть реальностью?
Инструмент для ведения учёта
Виртуальные частицы — это инструмент, который физики используют для расчёта того, как силы действуют в микроскопическом субатомном мире. Эти силы реальны, потому что их можно измерить.
Но вместо того, чтобы пытаться рассчитать силы напрямую, физики используют систему учёта, в которой взаимодействия переносят быстроживущие виртуальные частицы. Виртуальные частицы не только упрощают вычисления, но и решают давнюю проблему в физике: как сила действует в пустом пространстве?
Виртуальные частицы используют естественную нечёткость субатомного мира, где, если эти эфемерные частицы живут достаточно мало, они также могут на короткое время заимствовать свою энергию из пустого пространства. Нечёткость энергетического баланса скрывает этот кратковременный дисбаланс, что позволяет виртуальным частицам влиять на реальный мир.
Одним из больших преимуществ этого инструмента является то, что математические операции, описывающие силы между частицами, можно визуализировать в виде диаграмм. Они обычно выглядят как карикатурные рисунки с палочковыми фигурками, играющими в пинг-понг с виртуальными частицами. Диаграммы, получившие название диаграмм Фейнмана, предлагают отличную интуитивную основу, но они также придают виртуальным частицам обманчивую ауру реальности.
Удивительно, но этот метод расчёта на основе виртуальных частиц даёт одни из самых точных прогнозов во всей науке.
Проверка реальности
Вся материя состоит из основных строительных блоков, называемых атомами. Атомы, в свою очередь, состоят из маленьких положительно заряженных частиц, называемых протонами, которые находятся в их ядре и окружены ещё более мелкими отрицательно заряженными частицами, называемыми электронами.
Как профессор физики и астрономии в Университете штата Миссисипи, я провожу эксперименты, которые часто основываются на идее, что электроны и протоны, видимые в наших приборах, взаимодействуют путём обмена виртуальными частицами. Недавно мы с коллегами очень точно измерили размер протона, бомбардируя атомы водорода пучком электронов. Это измерение предполагает, что электроны могут «чувствовать» протон в центре атома водорода путём обмена виртуальными фотонами: частицами электромагнитной энергии.
Физики используют виртуальные частицы для расчёта силы отталкивания двух электронов друг от друга с исключительной точностью. Воздействующие силы представляются как совокупный эффект обмена виртуальными фотонами между двумя электронами.
Когда две металлические пластины помещаются очень близко друг к другу в вакууме, они притягиваются: это явление известно как эффект Казимира. Физики могут точно рассчитать силу, которая притягивает пластины друг к другу, используя математику виртуальных частиц. Независимо от того, существуют ли виртуальные частицы на самом деле, математика точно предсказывает то, что исследователи наблюдают в реальном мире.
Ещё одно загадочное предсказание, сделанное с помощью набора инструментов виртуальных частиц, — это так называемое излучение Хокинга. Когда пары виртуальных частиц появляются на краю чёрных дыр, иногда гравитация чёрной дыры захватывает одну из частиц, а другая ускользает [на самом деле, всё не так просто / прим.перев.]. Этот разрыв приводит к медленному испарению чёрной дыры. Хотя излучение Хокинга ещё не было непосредственно наблюдаемо, недавно исследователи наблюдали его косвенно.
Полезная выдумка
Вернёмся к вопросу: может ли математический инструмент оказаться реальностью? Если вы можете идеально предсказать всё о силе, представляя, что она переносится виртуальными частицами, можно ли считать эти частицы реальными? Имеет ли значение их вымышленный статус?
Физики по-прежнему разделены по этому вопросу. Некоторые предпочитают подход «заткнуться и считать» — одна из знаменитых шуток Фейнмана. На данный момент виртуальные частицы — наш лучший способ описать поведение частиц. Но исследователи разрабатывают альтернативные методы, которые вообще не нуждаются в них.
В случае успеха эти подходы могут привести к полному исчезновению виртуальных частиц. Независимо от успеха, сам факт существования альтернативных теорий предполагает, что виртуальные частицы могут быть скорее полезной фикцией, чем физической реальностью. Это также соответствует схеме предыдущих революций в науке — на ум приходит пример эфира. Физики изобрели эфир как среду, через которую распространяются световые волны. Эксперименты хорошо согласовывались с расчётами, использующими этот инструмент, но на самом деле его обнаружить не удалось. В конце концов, теория относительности Эйнштейна показала, что он не нужен.
Виртуальные частицы — поразительный парадокс современной физики. Они не должны существовать, но при этом незаменимы для расчёта всего, от силы магнитов до поведения чёрных дыр. Они представляют собой глубокую дилемму: иногда лучшее понимание реальности достигается через тщательно построенную иллюзию. В конце концов, путаница вокруг виртуальных частиц может быть просто ценой за понимание фундаментальных сил.
