ΤΙ ΕΊΝΑΙ ΤΑ ΕΙΚΟΝΙΚΆ ΣΩΜΑΤΊΔΙΑ;

Send

Μερικές φορές καταλαβαίνω το αδύναμο σημείο στα άρθρα μου με βάση τα email και τα σχόλια που λαμβάνουν.

Ένα δημοφιλές άρθρο που κάναμε ήταν όλα σχετικά με τη συνειδητοποίηση του Stephen Hawking ότι οι μαύρες τρύπες πρέπει να εξατμιστούν για τεράστιες χρονικές περιόδους. Μιλήσαμε για τον μηχανισμό και αναφέραμε πώς υπάρχουν αυτά τα εικονικά σωματίδια που σκάουν μέσα και έξω από την ύπαρξη.

Κανονικά αυτά τα σωματίδια εκμηδενίζονται, αλλά στην άκρη του ορίζοντα της μαύρης τρύπας, ένα σωματίδιο πέφτει, ενώ ένα άλλο είναι ελεύθερο να περιπλανηθεί στον Κόσμο. Δεδομένου ότι δεν μπορείτε να δημιουργήσετε σωματίδια από το τίποτα, η μαύρη τρύπα πρέπει να θυσιάσει λίγο από τον εαυτό της για να αγοράσει αυτήν την πρόσφατα σχηματισμένη ελευθερία σωματιδίων.

Αλλά το σύντομο άρθρο μου δεν ήταν αρκετό για να διευκρινίσω τι ακριβώς είναι τα εικονικά σωματίδια. Σαφώς, όλοι θέλατε περισσότερες πληροφορίες. Τι είναι? Πώς εντοπίζονται; Τι σημαίνει αυτό για τις μαύρες τρύπες;

Σε τέτοιες καταστάσεις, όταν ξέρω ότι παρακολουθεί η πραγματική Αστυνομία Φυσικής, μου αρέσει να τηλεφωνώ σε κουδούνισμα. Για άλλη μια φορά, θα επιστρέψω και θα μιλήσω με τον καλό μου φίλο, και τον πραγματικό αστροφυσικό, Δρ. Paul Matt Sutter. Έχει γράψει εργασίες για θέματα όπως η Bayesian Analysis of Cosmic Dawn και MHD Simulations of Magnetic Outflows. Ξέρει πραγματικά τα πράγματα του.

Fraser Cain:
Γεια Paul, πρώτη ερώτηση: Τι είναι τα εικονικά σωματίδια;

Πολ Ματ Σάτερ:
Καλώς. Χωρίς πίεση, Fraser. Εντάξει εντάξει.

Για να αποκτήσετε την έννοια των εικονικών σωματιδίων, πρέπει πραγματικά να κάνετε ένα βήμα πίσω και να σκεφτείτε το πεδίο, ειδικά το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Στην τρέχουσα άποψή μας για το πώς λειτουργεί το σύμπαν όλο το διάστημα και ο χρόνος είναι γεμάτος με αυτό το είδος πεδίου υποβάθρου. Και αυτό το πεδίο μπορεί να ταλαντεύεται, και μερικές φορές αυτά τα κουνήματα και τα κουνήματα είναι σαν κύματα που διαδίδονται προς τα εμπρός, και ονομάζουμε αυτά τα κύματα φωτόνια ή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αλλά μερικές φορές μπορεί να καθίσει εκεί και γνωρίζετε bloop bloop bloop, απλά γνωρίζετε ποπ να ξεφλουδίζει μέσα και έξω, ή πάνω-κάτω, και να βράζει λίγο μόνο του.

Στην πραγματικότητα, όλο το χρονικό διάστημα είναι ένα είδος κουνήματος / κουνήματος γύρω από αυτό το πεδίο ακόμη και σε κενό. Ένα κενό δεν είναι η απουσία όλων. Το κενό είναι ακριβώς όπου αυτό το πεδίο βρίσκεται στη χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση. Αλλά παρόλο που βρίσκεται σε αυτήν τη χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, παρόλο που ίσως κατά μέσο όρο δεν υπάρχει τίποτα εκεί. Δεν υπάρχει τίποτα που να το εμποδίζει από το bloop bloop bloop που ξέρεις να φουσκώνει.

Στην πραγματικότητα, το κενό είναι κάπως βρασμένο με αυτά τα πεδία. Συγκεκριμένα, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο για το οποίο μιλάμε αυτή τη στιγμή.

Και γνωρίζουμε ότι τα φωτόνια, αυτό το φως, μπορούν να μετατραπούν σε ζεύγη σωματιδίων, κατά σωματιδίων. Μπορεί να μετατραπεί σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο. Μπορεί να το κάνει αυτό. Μπορεί να συμβεί σε κανονικά φωτόνια και μπορεί να συμβεί σε τέτοιου είδους προσωρινά ταλαντευόμενα φωτονικά.

Έτσι μερικές φορές ένα φωτόνιο ή μερικές φορές το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί να διαδοθεί από το ένα μέρος στο άλλο και το ονομάζουμε φωτον. Και αυτό το φωτόνιο μπορεί να χωριστεί σε ένα ποζιτρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, και άλλες φορές μπορεί απλά να ταλαντεύεται το είδος του στη θέση του και στη συνέχεια να ταλαντεύεται το POP POP. Βγαίνει σε ένα ποζιτρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο και στη συνέχεια συντρίβονται μεταξύ τους ή οτιδήποτε άλλο, και απλώς σιγοβράζουν πίσω. Έτσι, το wibble wobble, pop pop, fizz fizz είναι κάτι που συμβαίνει στο κενό όλη την ώρα και αυτό είναι το όνομα που δίνουμε σε αυτά τα εικονικά σωματίδια είναι απλά το κανονικό είδος φόντου φόντου ή φόντου στατικού στο κενό.

Fraser:
Εντάξει. Πώς βλέπουμε λοιπόν στοιχεία για εικονικά σωματίδια;

Παύλος:
Ναι, υπέροχη ερώτηση. Γνωρίζουμε ότι το κενό σχετίζεται με μια ενέργεια. Γνωρίζουμε ότι αυτά τα εικονικά σωματίδια ξεσπούν πάντα μέσα και έξω από την ύπαρξη για μερικούς λόγους.

Το ένα είναι η μετάβαση του ηλεκτρονίου σε διαφορετικές καταστάσεις του ατόμου. Εάν διεγείρετε το άτομο, το ηλεκτρόνιο αναδύεται σε υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Δεν υπάρχει κανένας λόγος για αυτό το ηλεκτρόνιο να επιστρέψει σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Είναι ήδη εκεί. Είναι στην πραγματικότητα μια σταθερή κατάσταση. Δεν υπάρχει κανένας λόγος για να φύγει εκτός αν υπάρχουν μικρές ταλαντώσεις στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και μπορεί να χτυπήσει γύρω από αυτό το ηλεκτρόνιο και να το χτυπήσει από εκείνη την υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση και να το στείλει σε χαμηλότερη κατάσταση

Ένα άλλο πράγμα ονομάζεται Lamb Shift, και αυτό συμβαίνει όταν το ταλαντευόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ή τα εικονικά σωματίδια αλληλεπιδρούν και πάλι με ηλεκτρόνια, για παράδειγμα ένα άτομο υδρογόνου. Μπορεί να τους ωθήσει απαλά, και αυτή η αλλαγή επηρεάζει ορισμένες καταστάσεις του ηλεκτρονίου και όχι άλλες καταστάσεις. Και υπάρχουν στην πραγματικότητα καταστάσεις που θα λέγατε ότι έχουν τις ίδιες ακριβώς ιδιότητες ενέργειας, είναι ακριβώς πανομοιότυπες, αλλά επειδή το Lamb Shift, λόγω αυτού του ταλαντευόμενου ταλαντευόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου αλληλεπιδρά με μία από αυτές τις καταστάσεις και όχι με την άλλη, στην πραγματικότητα αλλάζει απαλά τα επίπεδα ενέργειας αυτών των καταστάσεων, παρόλο που θα περίμενε κανείς να είναι εντελώς το ίδιο.

Και ένα άλλο αποδεικτικό στοιχείο είναι ότι τα φωτόνια φωτονίου διασκορπίζουν συνήθως δύο φωτόνια, phweeet, που πετούν το ένα από το άλλο. Είναι ηλεκτρικά ουδέτερα, επομένως δεν έχουν κανένα λόγο να αλληλεπιδράσουν, αλλά μερικές φορές τα φωτόνια μπορούν να ταλαντεύονται σε ζεύγη ηλεκτρονίων / ποζιτρονίων και αυτό το ζεύγος ηλεκτρονίων / ποζιτρονίων μπορεί να αλληλεπιδράσει με τα άλλα φωτόνια. Έτσι μερικές φορές αναπηδούν μεταξύ τους. Είναι εξαιρετικά σπάνιο επειδή πρέπει να περιμένετε να συμβεί η ταλάντευση ταλάντωσης την κατάλληλη στιγμή, αλλά μπορεί να συμβεί.

Fraser:
Λοιπόν, πώς αλληλεπιδρούν με τις μαύρες τρύπες;

Παύλος:
Εντάξει, αυτή είναι η καρδιά του θέματος. Τι σχέση έχουν όλα αυτά τα εικονικά σωματίδια ή τα ευμετάβλητα ηλεκτρομαγνητικά πεδία με τις μαύρες τρύπες και συγκεκριμένα με την ακτινοβολία Hawking; Αλλά ρίξτε μια ματιά. Η αρχική διατύπωση Hawkings αυτής της ιδέας ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να ακτινοβολήσουν και να χάσουν τη μάζα τους δεν έχουν καμία σχέση με τα εικονικά σωματίδια. Ή δεν μιλάει άμεσα για εικονικά ζεύγη σωματιδίων, και στην πραγματικότητα δεν υπάρχουν άλλες διατυπώσεις ή πιο σύγχρονες αντιλήψεις αυτής της διαδικασίας για τα ζεύγη εικονικών σωματιδίων.

Αντ 'αυτού, μιλούν περισσότερο για το ίδιο το πεδίο και συγκεκριμένα για το τι συμβαίνει στο χωράφι πριν από τη μαύρη τρύπα, τι συμβαίνει σε αυτό καθώς σχηματίζεται η μαύρη τρύπα και έπειτα τι συμβαίνει στο πεδίο αφού σχηματιστεί. Και αυτό το είδος θέτει μια ερώτηση: Τι συμβαίνει σε αυτά τα wibbly wobbly bits του πεδίου, όπως αυτά της παροδικής φύσης βρασμού του κενού του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου; Τι συμβαίνει σε αυτήν καθώς σχηματίζεται η μαύρη τρύπα;

Λοιπόν, αυτό που συμβαίνει είναι ότι μερικά από τα wibbly wobbly bits μόλις πιάνονται κοντά στη μαύρη τρύπα, κοντά στον ορίζοντα του γεγονότος καθώς διαμορφώνεται, και περνούν πολύ χρόνο εκεί, και τελικά δραπετεύουν. Χρειάζεται λοιπόν λίγο, αλλά όταν ξεφεύγουν λόγω της έντονης καμπυλότητας εκεί, της έντονης καμπυλότητας του χωροχρόνου, μπορούν να ενισχυθούν ή να προωθηθούν. Έτσι, αντί να είναι προσωρινά ταλαντευόμενοι, στο πεδίο ενισχύονται να γίνουν «πραγματικά» σωματίδια ή «πραγματικά» φωτόνια. Οπότε είναι πραγματικά μια αλληλεπίδραση του σχηματισμού της ίδιας της μαύρης τρύπας με το πεδίο ταλαντευόμενου φόντου, που τελικά δραπετεύεται επειδή δεν παγιδεύεται αρκετά από τη μαύρη τρύπα.

Τελικά διαφεύγει και μετατρέπεται σε πραγματικά σωματίδια, και μπορείτε να υπολογίσετε όπως συμβαίνει με το ας πούμε τον αναμενόμενο αριθμό σωματιδίων κοντά στον ορίζοντα γεγονότος της μαύρης τρύπας. Η απάντηση είναι ο αρνητικός αριθμός, που σημαίνει ότι η μαύρη τρύπα χάνει τη μάζα και φτύνει τα σωματίδια.

Τώρα αυτή η δημοφιλής σύλληψη των εικονικών ζευγών σωματιδίων εμφανίζεται και κάποιος παγιδεύεται στον ορίζοντα του γεγονότος. Αυτό δεν είναι ακριβώς συνδεδεμένο με τα μαθηματικά της ακτινοβολίας Hawking, αλλά ούτε και αυτό είναι λάθος. Θυμηθείτε ότι τα ταλαντευόμενα κύματα στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σχετίζονται με αυτά τα ζεύγη σωματιδίων και αντι-σωματιδίων που εμφανίζονται συνεχώς μέσα και έξω από την ύπαρξη. Κάτι συμβαδίζουν. Έτσι, μιλώντας για το wibbly wobbly's στο πεδίο, μιλάτε επίσης για την παραγωγή εικονικών σωματιδίων. Και δεν είναι ακριβώς τα μαθηματικά, αλλά γνωρίζετε αρκετά κοντά.

Fraser:
Εντάξει, και τέλος, Paul. Θέλω να χτυπήσεις τυχαία το μυαλό των θεατών. Κάτι σχετικά με τα εικονικά σωματίδια που είναι απλώς καταπληκτικό!

Παύλος:
Καλώς. Θέλετε λοιπόν να λυγίσετε τα μυαλά των ανθρώπων; Εντάξει. Το έσωσα για τελευταία φορά. Κάτι ζουμερό, μόνο για εσάς, Φρέιζερ.

Δείτε αυτό, είναι ένα άλλο μεγάλο αποδεικτικό στοιχείο που έχουμε για την ύπαρξη αυτών των διακυμάνσεων στο παρασκήνιο και την ύπαρξη εικονικών σωματιδίων, και αυτό είναι κάτι που ονομάζουμε το Casimir Effect ή Casimir Force.

Παίρνετε δύο ουδέτερες μεταλλικές πλάκες και αυτό που συμβαίνει είναι αυτό το πεδίο που διαπερνά όλο τον χωροχρόνο είναι μέσα στις πλάκες και είναι έξω από τις πλάκες. Μέσα στις πλάκες, μπορείτε να έχετε μόνο συγκεκριμένα μήκη κύματος τρόπων. Σχεδόν όπως το εσωτερικό μιας τρομπέτας μπορεί να έχει μόνο συγκεκριμένους τρόπους που ακούγονται. Τα άκρα των μηκών κύματος πρέπει να συνδέονται με τις πλάκες, γιατί αυτό κάνουν οι μεταλλικές πλάκες στα ηλεκτρομαγνητικά πεδία.

Έξω από τις πλάκες μπορείτε να έχετε οποιοδήποτε μήκος κύματος θέλετε. Δεν πειράζει.

Αυτό σημαίνει ότι έξω από τις πλάκες έχετε έναν άπειρο αριθμό πιθανών μηκών κύματος τρόπων. Υπάρχει κάθε είδος πιθανής διακύμανσης, wibble wabble στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, αλλά μέσα στις πλάκες είναι μόνο ορισμένα μήκη κύματος που μπορούν να χωρέσουν μέσα στις πλάκες.

Τώρα, έξω υπάρχει ένας άπειρος αριθμός λειτουργιών. Στο εσωτερικό, υπάρχει ακόμα ένας άπειρος αριθμός λειτουργιών, λίγο ελαφρώς λιγότερος αριθμός λειτουργιών. Και μπορείτε να πάρετε το άπειρο στο εξωτερικό, και να αφαιρέσετε το άπειρο άπειρο στο εσωτερικό, και να πάρετε πραγματικά έναν πεπερασμένο αριθμό, και αυτό που καταλήγετε είναι μια πίεση ή μια δύναμη που φέρνει τις πλάκες μαζί. Και αυτό το μετρήσαμε. Αυτό είναι πραγματικό πράγμα, και ναι, δεν αστειεύομαι, μπορείτε να πάρετε το άπειρο μείον ένα διαφορετικό άπειρο και να λάβετε έναν πεπερασμένο αριθμό. Είναι δυνατό. Ένα παράδειγμα είναι η σταθερά Euler Mascheroni. Σας τολμώ να το αναζητήσετε!

Ορίστε λοιπόν, τώρα ελπίζω να καταλάβετε τι είναι αυτά τα εικονικά σωματίδια, πώς εντοπίζονται και πώς συμβάλλουν στην εξάτμιση μιας μαύρης τρύπας.

Και αν δεν το έχετε κάνει ήδη, βεβαιωθείτε ότι κάνετε κλικ εδώ και μεταβείτε στο κανάλι του. Θα βρείτε δεκάδες βίντεο που θα απαντούν εξίσου στο μυαλό σας. Στην πραγματικότητα, στείλτε τις ερωτήσεις σας και μπορεί απλώς να κάνει ένα βίντεο και να απαντήσει σε αυτές.