Particulele care nu există ar putea fi cheia înțelegerii realității

Particulele care nu există ne ajută să înțelegem realitatea. Un instrument matematic ingenios, cunoscut sub numele de particule virtuale, dezvăluie mecanismele ciudate și misterioase care au loc în interiorul particulelor subatomice. Fără acest instrument, ceea ce se întâmplă în adâncul atomilor ar rămâne pur și simplu inexplicabil.

Calculele bazate pe particulele care nu există prezic comportamentele bizare ale particulelor subatomice cu o precizie atât de uimitoare, încât unii oameni de știință sunt convinși că „ele trebuie să existe cu adevărat”.

• Test de cultură generală. Ce este entropia?
• Pentru prima dată, fizicienii au „încurcat” doi atomi în mișcare, validând o teorie cuantică

Totuși, particulele virtuale nu sunt reale, chiar numele lor o spune. Dar dacă vrei să înțelegi cum interacționează particulele reale între ele, nu le poți evita. Ele sunt indispensabile pentru descrierea a trei dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii: electromagnetismul și forțele nucleare tare și slabă.

Particulele reale sunt „pachete” de energie care pot fi detectate de instrumente specializate, de aceea le numim „observabile”. Particulele virtuale, în schimb, sunt un instrument matematic sofisticat inventat de fizicianul Richard Feynman pentru a descrie interacțiunile dintre particulele reale.

De ce sunt folosite particulele care nu există?

Nu toți fizicienii sunt convinși de această separare clară. Deși particulele virtuale nu pot fi detectate direct, calculele bazate pe ele au fost confirmate experimental cu o precizie de 12 zecimale, o acuratețe comparabilă cu măsurarea distanței dintre Polul Nord și Polul Sud cu o eroare mai mică decât grosimea unui fir de păr.

Această concordanță incredibilă dintre teorie și observație face ca particulele virtuale să fie una dintre cele mai testate idei din știință. Asta îi determină pe unii fizicieni să se întrebe: poate un instrument matematic să devină realitate?

Particulele virtuale sunt, practic, un sistem de contabilitate pe care fizicienii îl folosesc pentru a calcula modul în care acționează forțele la scară subatomică. Forțele sunt reale, le putem măsura. Dar, în loc să le calculeze direct, fizicienii „se prefac” că forțele sunt purtate de particule virtuale efemere.

Această abordare nu doar simplifică enorm calculele, ci rezolvă și o întrebare veche din fizică: cum poate o forță să acționeze prin spațiul gol?

Ajutorul dat de fizica cuantică

Particulele virtuale profită de „neclaritatea” lumii cuantice: dacă trăiesc suficient de puțin, ele pot „împrumuta” energie din vidul spațiului pentru un timp extrem de scurt, fără a încălca legile fizicii. Această mică „neconcordanță” trece neobservată, permițându-le particulelor virtuale să aibă efecte reale.

Un avantaj major al acestei metode este că interacțiunile pot fi vizualizate prin diagrame, așa-numitele diagrame Feynman, care seamănă cu desene animate minimaliste în care particulele își „pasează” particule virtuale una alteia. Deși oferă un cadru intuitiv, aceste diagrame pot induce falsa impresie că particulele virtuale ar fi reale.

Totuși, metoda bazată pe ele produce unele dintre cele mai precise predicții din întreaga știință. Toată materia este alcătuită din atomi, iar atomii, din protoni încărcați pozitiv, aflați în nucleu, și electroni încărcați negativ, care se rotesc în jurul lui.

Ca profesor de fizică și astronomie la Universitatea de Stat din Mississippi (SUA), Dipangkar Dutta explică faptul că experimentele sale se bazează pe ideea că electronii și protonii interacționează prin schimb de particule virtuale.

De exemplu, el și colegii săi au măsurat recent dimensiunea protonului cu o precizie extremă, bombardând atomi de hidrogen cu un fascicul de electroni. Acest experiment presupune că electronii „simt” protonul prin intermediul fotonilor virtuali, adică particule de energie electromagnetică.

La ce sunt folosite particulele care nu există?

Fizicienii folosesc particule virtuale pentru a calcula și modul în care doi electroni se resping reciproc, reprezentând această interacțiune ca un schimb continuu de fotoni virtuali.

Un alt exemplu celebru este efectul Casimir: atunci când două plăci metalice sunt așezate foarte aproape una de alta într-un vid, ele se atrag ușor. Această forță, deși invizibilă, poate fi calculată cu precizie folosind matematica particulelor virtuale.

Fie că aceste particule „există” sau nu, ecuațiile care le folosesc descriu perfect ceea ce se observă în experimente.

O altă predicție fascinantă derivată din teoria particulelor virtuale este radiația Hawking. La marginea găurilor negre, perechi de particule virtuale apar spontan; gravitația găurii negre o poate „prinde” pe una dintre ele, în timp ce cealaltă scapă, fenomen care duce, în timp, la evaporarea lentă a găurii negre. Deși această radiație nu a fost observată direct, există dovezi indirecte care îi susțin existența, notează Science Alert.

Poate un instrument matematic deveni real?

Și astfel revenim la întrebarea-cheie: poate un instrument matematic deveni real? Dacă poți prezice perfect comportamentul forțelor imaginând că ele sunt purtate de particule virtuale, atunci acele particule nu sunt oare reale într-un anumit sens? Contează dacă statutul lor este „fictiv”?

Fizicienii au păreri împărțite. Unii, în spiritul lui Feynman, preferă abordarea „taci și calculează”. Pentru moment, particulele virtuale sunt cea mai bună metodă de a descrie comportamentul materiei. Totuși, există deja teorii alternative care încearcă să explice forțele fără a apela la aceste particule.

Dacă aceste teorii vor avea succes, particulele virtuale ar putea dispărea definitiv, așa cum a dispărut cândva ideea de eter, un mediu imaginar prin care se credea că se propagă lumina. Deși eterul explica bine observațiile, nu a putut fi niciodată detectat, iar teoria relativității a lui Einstein a arătat că nu este necesar.

Particulele virtuale sunt, astfel, un paradox fascinant al fizicii moderne: nu ar trebui să existe și totuși sunt indispensabile pentru a calcula orice, de la puterea magneților până la comportamentul găurilor negre.

Ele ilustrează un adevăr profund: uneori, cele mai bune instrumente pentru a înțelege realitatea sunt iluzii atent construite. În cele din urmă, confuzia din jurul particulelor virtuale ar putea fi prețul pe care îl plătim pentru a înțelege forțele fundamentale ale Universului.

Vă recomandăm să citiți și:

Moment fără precedent în astronomie: Ce s-a observat în jurul unei stele neutronice?

„Punctele roșii” din Univers detectate cu Telescopul Webb ar putea fi ceva cu totul neașteptat

Au fost descoperite oficial 6.000 de exoplanete, declară NASA. „Intrăm în următorul mare capitol al explorării”

Nava experimentală cu provizii pentru ISS a ajuns, în sfârșit, la destinație