Čestice koje ne postoje: Ključ za razumijevanje stvarnosti?

U srcu našeg razumijevanja svemira leži zapanjujući paradoks: da bismo objasnili kako stvarne, opipljive čestice međusobno djeluju, moramo se osloniti na koncept nečega što, tehnički, ne postoji. Riječ je o virtualnim česticama, sablasnim entitetima koji izranjaju iz vakuuma na djelić sekunde i nestaju, a opet su neophodan alat za otključavanje najdubljih tajni subatomske fizike. Bez njih, sile koje drže atome na okupu i upravljaju svemirom ostale bi neobjašnjene, piše Science Alert.

7

Matematički alat nevjerojatne preciznosti

Virtualne čestice nisu stvarne u klasičnom smislu. Ne možemo ih uhvatiti niti detektirati instrumentima. One su, u suštini, sofisticirani matematički alat koji je prvi osmislio fizičar Richard Feynman kako bi opisao interakcije između stvarnih čestica. Umjesto izravnog izračunavanja složenih sila, fizičari koriste sustav u kojem kratkoživuće virtualne čestice djeluju kao prijenosnici tih sila.

Ovaj koncept ključan je za opisivanje tri od četiri temeljne sile prirode: elektromagnetizma te jake i slabe nuklearne sile. Iako zvuče kao puka apstrakcija, izračuni koji uključuju virtualne čestice predviđaju ponašanje subatomskih čestica s gotovo neshvatljivom preciznošću. U nekim slučajevima, podudaranje između teorijskih predviđanja i eksperimentalnih mjerenja točno je na nevjerojatnih 12 decimalnih mjesta. To je kao da izmjerite udaljenost između Sjevernog i Južnog pola s preciznošću manjom od debljine jedne vlasi kose. Takva razina slaganja tjera mnoge znanstvenike da se zapitaju: može li matematički alat postati stvaran?

NEVJEROJATNO Halo, ima koga? NASA je primila poruku s 350 mil. kilometara!

Feynmanovi dijagrami i posuđena energija

Jedna od velikih prednosti ovog pristupa jest što se složene matematičke operacije mogu vizualizirati pomoću takozvanih Feynmanovih dijagrama. Ovi dijagrami izgledaju poput jednostavnih crteža u kojima stvarne čestice igraju "ping-pong" razmjenjujući virtualne čestice. Na primjer, odbijanje dvaju elektrona može se prikazati kao razmjena virtualnog fotona.

Ali kako je moguće da te čestice uopće postoje, makar i na trenutak? Odgovor leži u fundamentalnoj "mutnoći" kvantnog svijeta, opisanoj Heisenbergovim načelom neodređenosti. Ovo načelo dopušta kratkotrajna kršenja zakona očuvanja energije, pod uvjetom da se sve vrati u ravnotežu iznimno brzo. Virtualne čestice iskorištavaju tu mogućnost, "posuđujući" energiju iz praznog prostora (vakuum) na infinitezimalno kratko vrijeme kako bi posredovale u interakciji, prije nego što nestanu kao da nikada nisu ni postojale. Time se rješava i prastari problem fizike: kako sila može djelovati na daljinu kroz prazan prostor.

NEVJEROJATNO Znanstvenici konačno saznali tko je 'upalio svjetlo' u svemiru

Stvarni učinci nestvarnih čestica

Iako ih ne možemo izravno vidjeti, virtualne čestice ostavljaju mjerljive tragove u stvarnom svijetu. Njihovi učinci nisu samo teorijski, već su i eksperimentalno potvrđeni.

* **Casimirov efekt:** Kada se dvije nenabijene metalne ploče postave vrlo blizu jedna drugoj u vakuumu, među njima se javlja privlačna sila. Ta sila rezultat je promjene u fluktuacijama virtualnih čestica u prostoru između ploča u odnosu na prostor izvan njih. Ovaj fenomen, predviđen teorijom, precizno je izmjeren u laboratorijima.

* **Lambov pomak:** U vodikovom atomu, interakcije s virtualnim parovima elektron-pozitron koji neprestano iskaču iz vakuuma uzrokuju maleni pomak u energetskim razinama elektrona. Taj pomak, iako sićušan, izmjerio je Willis Lamb, za što je dobio Nobelovu nagradu i pružio jedan od prvih čvrstih dokaza o stvarnim posljedicama postojanja virtualnih čestica.

* **Hawkingovo zračenje:** Teorija predviđa da na rubu crne rupe može nastati par virtualnih čestica, pri čemu jedna upadne u crnu rupu, a druga pobjegne. Ona koja pobjegne postaje stvarna čestica, polako odnoseći energiju iz crne rupe i uzrokujući njezino "isparavanje".

KOZMIČKI MISTERIJ Ovo je RAD J131346.9+500320: Vidimo ga u vremenu kad je svemir bio na polovici starosti

Korisna fikcija ili skrivena stvarnost?

Pitanje jesu li virtualne čestice "stvarne" ostaje predmetom rasprave među fizičarima. Jedni, slijedeći Feynmanovu slavnu izreku "šuti i računaj", smatraju ih isključivo korisnom računskom metodom – elegantnom fikcijom koja daje točne rezultate. Uspoređuju ih s konceptom "etera", hipotetskog medija za širenje svjetlosti koji je Einsteinova teorija relativnosti učinila suvišnim. Postojanje alternativnih matematičkih pristupa koji ne zahtijevaju virtualne čestice dodatno podupire ovu ideju.

NEVJEROJATNO Znanstvenici su otkrili potpuno novi način mjerenja vremena! Svemir možda ni nema vrijeme

S druge strane, mnogi tvrde da su njihovi mjerljivi učinci, poput Casimirovog efekta, previše stvarni da bi se otpisali kao puka matematička dosjetka. Za njih, virtualne čestice su stvarne manifestacije temeljnih kvantnih polja koja prožimaju čitav svemir.

Virtualne čestice predstavljaju duboku dilemu moderne fizike. One ne bi trebale postojati, a ipak su neizostavne za izračunavanje svega, od snage magneta do sudbine crnih rupa.

Bilo da se radi o pomno konstruiranoj iluziji ili o prozoru u dublju razinu stvarnosti, one su trenutno naš najbolji alat za razumijevanje temeljnih sila koje oblikuju naš svijet. Zbunjenost oko njihove prirode možda je samo cijena koju plaćamo za spoznaju svemira.