VAD äR VIRTUELLA PARTIKLAR?

Send

Ibland räknar jag ut den svaga platsen i mina artiklar baserat på e-postmeddelanden och kommentarer de får.

En populär artikel som vi gjorde handlade om Stephen Hawkings insikt att svarta hål måste avdunsta under stora tidsperioder. Vi pratade om mekanismen och nämnde hur det finns dessa virtuella partiklar som dyker in och ut ur existensen.

Normalt förstörs dessa partiklar själv, men i utkanten av ett svart håls händelseshorisont faller en partikel in, medan en annan är fri att vandra i kosmos. Eftersom du inte kan skapa partiklar från ingenting, behöver det svarta hålet att offra lite av sig själv för att köpa den nybildade partikelns frihet.

Men min korta artikel räckte inte för att klargöra exakt vad virtuella partiklar är. Det är klart att ni alla ville ha mer information. Vad är dem? Hur upptäcks de? Vad betyder detta för svarta hål?

I situationer som detta, när jag vet att den faktiska fysikpolisen tittar, gillar jag att ringa in en ringsignal. Återigen kommer jag att gå tillbaka och prata med min goda vän och den faktiska fungerande astrofysikeren, Dr. Paul Matt Sutter. Han har skrivit artiklar om ämnen som Bayesian Analysis of Cosmic Dawn och MHD Simulations of Magnetic Outflows. Han vet verkligen sina saker.

Fraser Cain:
Hej Paul, första frågan: Vad är virtuella partiklar?

Paul Matt Sutter:
OK. Inget tryck, Fraser. Okej okej.

För att få konceptet virtuella partiklar måste du faktiskt ta ett steg tillbaka och tänka på fältet, särskilt det elektromagnetiska fältet. I vår nuvarande bild av hur universum fungerar är allt rum och tid fylld med denna typ av bakgrundsfält. Och det här fältet kan vippa och wibble runt, och ibland är dessa wibbles och wabbles som vågor som sprider sig framåt, och vi kallar dessa vågor fotoner eller elektromagnetisk strålning, men ibland kan det bara sitta där och du vet bloop bloop bloop, bara du vet pop fizzla in och ut, eller upp och ner, och slags koka lite helt på egen hand.

Faktum är att hela tiden utrymme är typ av vibling / wibbling runt detta fält även i ett vakuum. Ett vakuum är inte frånvaron av allt. Vakuumet är precis där detta fält är i sitt lägsta energitillstånd. Men även om det är i det lägsta energitillståndet, även om det i genomsnitt kanske inte finns något där. Det finns inget som hindrar det från bara bloop bloop bloop du vet bubblar runt.

Så faktiskt vakuumet är lite kokande med dessa fält. I synnerhet det elektromagnetiska fältet som vi talar om just nu.

Och vi vet att fotoner, det ljuset, kan förvandlas till partiklar, parpartiklar. Det kan förvandlas till säga en elektron och en positron. Det kan bara göra detta. Det kan hända med vanliga fotoner, och det kan hända med den här typen av tillfälliga vibbiga wobbly fotoner.

Så ibland kan en foton eller ibland det elektromagnetiska fältet spridas från en plats till en annan, och vi kallar det en foton. Och den fotonen kan delas upp i en positron och en elektron, och andra gånger kan den bara vippa slingrande slags på plats och sedan vippa wobble POP POP. Det dyker upp i en positron och en elektron och sedan kraschar de in i varandra eller vad som helst, och de sjunker bara ner igen. Så wibble wobble, pop pop, fizz fizz är typ av vad som händer i vakuumet hela tiden, och det är namnet vi ger dessa virtuella partiklar är bara den normala typen av bakgrunder eller statisk bakgrund till vakuumet.

fraser:
Okej. Så hur ser vi bevis för virtuella partiklar?

Paul:
Ja, bra fråga. Vi vet att vakuumet har en energi förknippad med det. Vi vet att dessa virtuella partiklar alltid fiztrar in och ut ur existensen av några orsaker.

En är övergången av elektronen i olika tillstånd i atomen. Om du väcker atomen dyker elektron upp till ett högre energitillstånd. Det finns inte någon anledning till att den elektronen hoppar ner till ett lägre energitillstånd. Den är redan där. Det är faktiskt ett stabilt tillstånd. Det finns ingen anledning till att det lämnar såvida det inte finns lite vibble wobbles i det elektromagnetiska fältet och det kan fnissa runt den elektron och slå ut det från det högre energitillståndet och skicka den kraschar ner till ett lägre tillstånd

En annan sak kallas Lamb Shift, och det är när det vibbiga wobbly elektromagnetiska fältet eller de virtuella partiklarna interagerar igen med elektroner, säger en väteatom. Det kan försiktigt skjuta dem runt, och denna förskjutning påverkar vissa tillstånd i elektron och inte andra tillstånd. Och det finns faktiskt tillstånd som du kan säga har exakt samma säga energiegenskaper, de är bara likadana, men eftersom Lamb Shift, på grund av detta veckiga vacklande elektromagnetiska fält interagerar med en av dessa tillstånd och inte den andra, det faktiskt ändrar subtilt energinivåerna i dessa stater även om du kan förvänta dig att de skulle vara helt desamma.

Och ett annat bevis finns i fotonfotonspridning vanligtvis två fotoner, bara, flyga vid varandra. De är elektriskt neutrala, så de har ingen anledning att interagera, men ibland kan fotonerna vippa vingla till säga elektron / positronpar, och att elektron / positronpar kan interagera med de andra fotonerna. Så ibland studsar de av varandra. Det är supersällligt eftersom du måste vänta på att wibble wobble händer på precis rätt tidpunkt, men det kan hända.

fraser:
Så hur interagerar de med svarta hål?

Paul:
Okej, det här är frågan. Vad har alla dessa virtuella partiklar eller vibbiga wobbly elektromagnetiska fält att göra med svarta hål, och specifikt Hawking strålning? Men kolla in det här. Hawkings ursprungliga formulering av denna idé om att svarta hål kan stråla och förlora massa har faktiskt inget att göra med virtuella partiklar. Eller det talar inte direkt om virtuella partikelpar, och i själva verket talar inga andra formuleringar eller mer moderna föreställningar om denna process om virtuella partikelpar.

Istället pratar de mer om själva fältet och specifikt vad som händer med fältet innan det svarta hålet är där, vad som händer med det när det svarta hålet bildas, och sedan vad som händer med fältet efter det har bildats. Och det ställer typ en fråga: Vad händer med dessa vibbliga wobbly bitar av fältet, dessa som kortvarig typ av kokande natur vakuumet i det elektromagnetiska fältet? Vad händer med det som det svarta hålet bildas?

Vad som händer är att några av de vibbiga wobbly bitarna bara fastnar nära det svarta hålet, nära evenemangshorisonten när det bildas, och de tillbringar lång tid där och så småningom fly de. Så det tar en stund, men när de fly på grund av den intensiva krökningen där, den intensiva krökningen i rymdtid, kan de bli förstärkta eller främjas. Så istället för att vara tillfälligt vibbligt vinglande är de i fältet förstärkta för att bli "riktiga" partiklar eller "riktiga" fotoner. Så det är verkligen som en interaktion mellan bildandet av det svarta hålet i sig själv med det vibbiga wobbly bakgrundsfältet, som så småningom rymmer eftersom det inte riktigt fångas av det svarta hålet.

Så småningom rymmer det och blir förvandlat till verkliga partiklar, och du kan beräkna som vad som händer med säga det förväntade antalet partiklar nära händelseshorisonten för det svarta hålet. Svaret är det negativa antalet, vilket betyder att det svarta hålet förlorar massan och skar ut partiklar.

Nu är denna populära uppfattning om virtuella partikelpar som växer in i existensen och en som fastnar i händelseshorisonten. Det är inte exakt bundet till matematiken i Hawking-strålning, men det är inte heller fel. Kom ihåg att de slingrande vaggarna i det elektromagnetiska fältet är relaterade till dessa par partiklar och antipartiklar som ständigt poppar in och ut ur existensen. De går typ hand i hand. Så genom att prata om wibbly wobbly's i fältet pratar du också typ om produktion av virtuella partiklar. Och det är inte exakt matematiken, men du känner tillräckligt nära.

fraser:
Okej och slutligen Paul. Jag behöver att du slumpmässigt slår tankarna på tittarna. Något om virtuella partiklar som bara är fantastiskt!

Paul:
OK. Så du vill böja människors sinne? Okej. Jag räddade det här till sist. Något saftigt, bara för dig, Fraser.

Kolla in detta, det är ytterligare ett stort bevis som vi har för att dessa bakgrundsfluktuationer och förekomsten av virtuella partiklar finns, och det är något vi kallar Casimir-effekten, eller Casimir Force.

Du tar två neutrala metallplattor, och vad som händer är detta fält som genomsyrar all rymdtid är inne i plattorna och det är utanför plattorna. Inuti plattorna kan du bara ha vissa våglängder i lägen. Nästan som insidan av en trumpet kan bara ha vissa lägen som ger ljud. Våglängdens ändar måste ansluta till plattorna, för det är vad metallplattor gör för elektromagnetiska fält.

Utanför plattorna kan du ha vilken våglängd du vill ha. Det spelar ingen roll.

Så det betyder utanför plattorna att du har ett oändligt antal möjliga våglängder för lägen. Alla typer av möjliga typer av fluktuationer, svängbar wabble i det elektromagnetiska fältet finns där, men inuti plattorna är det bara vissa våglängder som kan passa inuti plattorna.

Nu utanför finns det ett oändligt antal lägen. Inuti finns det fortfarande ett oändligt antal lägen, bara något färre oändligt antal lägen. Och du kan ta oändligheten på utsidan, och subtrahera den oändliga oändligheten på insidan, och faktiskt få ett ändligt antal, och vad du hamnar med är ett tryck eller en kraft som förenar plattorna. Och vi har faktiskt mätt detta. Det här är en riktig sak, och ja, jag tullar inte, du kan ta oändlighet minus en oändlighet och få ett ändligt antal. Det är möjligt. Ett exempel är Euler Mascheroni Constant. Jag vågar dig titta upp det!

Så där går du, nu hoppas jag att du förstår vad dessa virtuella partiklar är, hur de upptäcks och hur de bidrar till förångningen av ett svart hål.

Och om du inte redan har det, se till att du klickar här och går till hans kanal. Du hittar dussintals videor som svarar på lika sinnesriktade frågor. Skicka faktiskt dina frågor så kan han bara göra en video och svara på dem.