不存在的粒子可能是理解現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵

一種被稱為虛擬粒子的巧妙數(shù)學(xué)工具可以解開亞原子粒子奇怪而神秘的內(nèi)部運(yùn)作原理。如果沒有這個(gè)工具，原子內(nèi)這些粒子會(huì)發(fā)生什么將無法解釋。

使用虛擬粒子的計(jì)算以驚人的準(zhǔn)確性預(yù)測(cè)了亞原子粒子的奇怪行為，以至于一些科學(xué)家認(rèn)為“它們一定是真實(shí)存在的”。

虛擬粒子不是真實(shí)的——它們的名字就這么說——但如果你想了解真實(shí)粒子如何相互作用，它們是不可避免的。它們是描述自然界中發(fā)現(xiàn)的三種力的重要工具：電磁和強(qiáng)者和弱核力量。

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真實(shí)粒子是可以通過適當(dāng)?shù)膬x器“看到”或檢測(cè)到的能量塊;這個(gè)特征使它們變得可觀察或真實(shí)。

另一方面，虛擬粒子是一種復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具，看不見。物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼發(fā)明了它們來描述真實(shí)粒子之間的相互作用。

但許多物理學(xué)家并不相信這種一刀切的區(qū)別。盡管研究人員無法檢測(cè)到這些虛擬粒子，但作為計(jì)算工具，它們預(yù)測(cè)許多細(xì)微的影響超靈敏的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了令人難以置信的小數(shù)點(diǎn)后 12 位。

這種精度就像測(cè)量北極和南極之間的距離，比一根頭發(fā)的寬度還要好。

測(cè)量和計(jì)算之間的這種一致性水平使虛擬粒子成為科學(xué)中經(jīng)過最徹底審查的想法。它迫使一些物理學(xué)家問：數(shù)學(xué)工具能成為現(xiàn)實(shí)嗎？

簿記工具

虛擬粒子是物理學(xué)家用來計(jì)算力在微觀亞原子世界中如何起作用的工具。這些力是真實(shí)的，因?yàn)樗鼈兪强梢詼y(cè)量的。

但物理學(xué)家沒有嘗試直接計(jì)算力，而是使用簿記系統(tǒng)，其中短壽命的虛擬粒子攜帶力。

虛擬粒子不僅使計(jì)算更易于管理，還解決了物理學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期存在的問題：力如何在空白空間中作用？

虛擬粒子利用亞原子世界的自然模糊，如果這些短暫的粒子存活得足夠短，它們也可以短暫地存在從空曠的空間中借用他們的能量.能量平衡的朦朧隱藏了這種短暫的不平衡，這允許虛擬粒子影響現(xiàn)實(shí)世界。

該工具的一大優(yōu)點(diǎn)是描述粒子之間力的數(shù)學(xué)運(yùn)算可以可視化為圖表。它們往往看起來像用虛擬粒子玩粒子乒乓球的簡(jiǎn)筆畫卡通。

圖表 – 配音費(fèi)曼圖– 提供了一個(gè)出色的直觀框架，但它們也賦予虛擬粒子一種具有欺騙性的現(xiàn)實(shí)光環(huán)。

令人驚訝的是，這種基于虛擬粒子的計(jì)算方法產(chǎn)生了所有科學(xué)中一些最精確的預(yù)測(cè)。

現(xiàn)實(shí)檢驗(yàn)

所有物質(zhì)都是由稱為原子的基本組成部分組成的。反過來，原子是由小的帶正電的粒子，稱為質(zhì)子在它們的核心發(fā)現(xiàn)，周圍是更小的帶負(fù)電的粒子，稱為電子.

作為教授密西西比州立大學(xué)物理和天文學(xué)，我進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)通常依賴于這樣一種想法，即我們儀器中看到的電子和質(zhì)子通過交換虛擬粒子相互作用。

我和我的同事最近測(cè)量了質(zhì)子大小非常精確地說，通過用電子束轟擊氫原子。該測(cè)量假設(shè)電子可以通過交換虛擬光子來“感覺到”氫原子中心的質(zhì)子：電磁能粒子.

物理學(xué)家使用虛擬粒子來計(jì)算兩個(gè)電子如何相互排斥，精度極高。所涉及的力表示為兩個(gè)電子交易虛擬光子的累積效應(yīng)。

當(dāng)兩塊金屬板在真空中非?？拷胖脮r(shí)，它們會(huì)相互吸引：這被稱為卡西米爾效應(yīng).物理學(xué)家可以使用虛擬粒子數(shù)學(xué)準(zhǔn)確計(jì)算將板拉在一起的力。

無論虛擬粒子是否真的存在，數(shù)學(xué)都會(huì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)研究人員在現(xiàn)實(shí)世界中觀察到的情況。

使用虛擬粒子工具包做出的另一個(gè)神秘預(yù)測(cè)是所謂的霍金輻射.當(dāng)虛擬粒子對(duì)在黑洞邊緣突然出現(xiàn)時(shí)，有時(shí)黑洞的重力抓住了一方，而另一方則逃脫了。

這種裂縫導(dǎo)致黑洞緩慢蒸發(fā)。雖然霍金輻射目前還沒有直接觀測(cè)到，研究人員最近有間接觀察到.

有用的小說

讓我們回到這個(gè)問題：數(shù)學(xué)工具能成為現(xiàn)實(shí)嗎？如果你可以通過想象力是由虛擬粒子攜帶來完美預(yù)測(cè)力的一切，那么這些粒子有資格成為真實(shí)的嗎？他們的虛構(gòu)地位重要嗎？

物理學(xué)家在這些問題上仍然存在分歧。有些人更喜歡“閉嘴計(jì)算”——這是費(fèi)曼的著名俏皮話之一。目前，虛擬粒子是描述粒子行為方式的最佳方式。但研究人員正在開發(fā)替代方法根本不需要它們。

如果成功，這些方法可以使虛擬粒子永遠(yuǎn)消失。無論成功與否，替代方案的存在這一事實(shí)表明虛擬粒子可能是有用的虛構(gòu)而不是物理真相。它也符合之前科學(xué)革命的模式——我想到了以太的例子。

物理學(xué)家發(fā)明了以太作為光波傳播的介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)與使用此工具的計(jì)算非常吻合，但實(shí)際上無法檢測(cè)到它。最終，愛因斯坦的相對(duì)論表明這是不必要的。

虛擬粒子是現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)驚人悖論。它們不應(yīng)該存在，但它們對(duì)于計(jì)算從磁鐵強(qiáng)度到黑洞行為的所有內(nèi)容都是不可或缺的。

它們代表了一個(gè)深刻的困境：有時(shí)，對(duì)現(xiàn)實(shí)的最佳洞察來自精心構(gòu)建的幻覺。最后，圍繞虛擬粒子的混淆可能只是理解基本力的代價(jià)。

迪龐卡·杜塔，核物理學(xué)教授，密西西比州立大學(xué)

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