Виртуальные частицы: как хитрый трюк физиков помогает нам измерить реальность
Виртуальные частицы придумал знаменитый физик Ричард Фейнман для описания взаимодействий между реальными частицами. В отличие от настоящих частиц, которые представляют собой сгустки энергии и могут быть обнаружены приборами, виртуальные частицы — это сложный математический инструмент, который нельзя увидеть или зарегистрировать.
Однако граница между реальностью и виртуальным миром не так очевидна, как кажется. Ученые не могут обнаружить виртуальные частицы напрямую, но расчеты с их помощью предсказывают тончайшие эффекты, которые сверхчувствительные эксперименты подтверждают с умопомрачительной точностью до 12 знаков после запятой. Это все равно что измерить расстояние между Северным и Южным полюсами с точностью до толщины человеческого волоса. Такой уровень согласия между измерениями и расчетами делает виртуальные частицы самой тщательно проверенной идеей в науке. Это заставляет некоторых физиков задаваться вопросом: может ли этот, сугубо математический инструмент существовать в реальности?
Профессор физики и астрономии Университета штата Миссисипи Дипангкар Дутта, проводящий эксперименты с использованием концепции виртуальных частиц, отмечает: «Мы недавно очень точно измерили размер протона, бомбардируя атомы водорода пучком электронов. Это измерение предполагает, что электроны могут «чувствовать» протон в центре атома водорода, обмениваясь виртуальными фотонами».
Виртуальные частицы также объясняют загадочные явления, такие как эффект Казимира — притяжение между двумя металлическими пластинами, расположенными очень близко друг к другу в вакууме. Физики могут точно рассчитать силу, притягивающую пластины, используя математику виртуальных частиц.
Еще одно предсказание, сделанное с помощью виртуальных частиц, — это излучение Хокинга. Когда пары виртуальных частиц появляются на краю черных дыр, иногда гравитация черной дыры захватывает одну из частиц такой пары, а другая частица «убегает». Возникает разрыв, который заставляет черную дыру медленно испаряться.
Физики пока что не пришли к согласию в мнениях о природе виртуальных частиц. Некоторые предпочитают, как советовал Фейнман, «просто заткнуться и считать». Другие ищут новые подходы, которые позволят обходиться без этой концепции — так же, как теория относительности Эйнштейна в свое время отменила представление об «эфире», через который будто бы распространяется свет.
Сегодня виртуальные частицы остаются ярким примером того, как условные концепции в науке могут открывать подлинные законы природы. Они не обязаны быть «реальными» в привычном смысле, чтобы помогать видеть мир глубже. Возможно, их парадоксальное существование — просто цена за наше стремление понять, как работает Вселенная на самом фундаментальном уровне.
Ранее физики нашли способ обойти принцип неопределенности Гейзенберга.
