Иногда я обнаруживаю слабое место в моих статьях, основываясь на электронных письмах и комментариях, которые они получают.
Одна популярная статья, которую мы сделали, была посвящена осознанию Стивеном Хокингом того, что черные дыры должны испаряться в течение огромных периодов времени. Мы говорили о механизме и упоминали, как появляются и исчезают эти виртуальные частицы.
Обычно эти частицы самоуничтожаются, но на краю горизонта событий черной дыры одна частица падает, а другая может свободно бродить по космосу. Поскольку вы не можете создавать частицы из ничего, черная дыра должна пожертвовать собой, чтобы купить свободу этой недавно сформированной частицы.
Но моей короткой статьи было недостаточно, чтобы уточнить, что такое виртуальные частицы. Очевидно, вы все хотели больше информации. Кто они такие? Как они обнаружены? Что это значит для черных дыр?
В таких ситуациях, когда я знаю, что настоящая физическая полиция наблюдает, мне нравится звонить. Еще раз, я собираюсь вернуться и поговорить с моим хорошим другом и настоящим работающим астрофизиком, доктором Полом Мэттом Саттером. Он написал статьи на такие темы, как Байесовский анализ Космического Рассвета и МГД-моделирование магнитных оттоков. Он действительно знает свое дело.
Фрейзер Каин:
Эй, Пол, первый вопрос: что такое виртуальные частицы?
Пол Мэтт Саттер:
Хорошо. Нет давления, Фрейзер. Хорошо хорошо.
Чтобы получить представление о виртуальных частицах, вам нужно сделать шаг назад и подумать о поле, особенно об электромагнитном поле. В нашем текущем представлении о том, как работает вселенная, все пространство и время заполнены этим фоновым полем. И это поле может колебаться и вертеться вокруг, и иногда эти колебания и колебания похожи на волны, которые распространяются вперед, и мы называем эти волны фотонами или электромагнитным излучением, но иногда оно может просто сидеть там, и вы знаете, как bloop bloop bloop, просто вы знаете, поп суетиться внутрь или наружу, или вверх и вниз, и немного варить самостоятельно.
Фактически, все пространство времени - это своего рода колебание / движение вокруг этого поля, даже в вакууме. Вакуум - это не отсутствие всего. Вакуум как раз там, где это поле находится в своем низшем энергетическом состоянии. Но даже при том, что он находится в этом самом низком энергетическом состоянии, хотя, может быть, в среднем там ничего нет. Ничто не останавливает его от просто бло-бло-блапа, который, как вы знаете, бурлит вокруг.
Так что на самом деле вакуум как бы кипит с этими полями. В частности, электромагнитное поле, о котором мы сейчас говорим.
И мы знаем, что фотоны, этот свет, могут превратиться в пары частиц, частиц. Это может превратиться в электрон и позитрон. Это может просто сделать это. Это может случиться с нормальными фотонами, и это может случиться с такими временными волнообразными колебаниями фотонов.
Поэтому иногда фотон или иногда электромагнитное поле могут распространяться из одного места в другое, и мы называем это фотоном. И этот фотон может расколоться на позитрон и электрон, и в других случаях он может просто раскачиваться на месте, а затем раскачиваться - POP POP. Он попадает в позитрон и электрон, а затем они врезаются друг в друга или что-то еще, и они просто кипятятся назад. Итак, колебания, колебания, шипение, шипучие шипения - это то, что происходит в вакууме все время, и это имя, которое мы даем этим виртуальным частицам, - это просто нормальный фоновый пух или фоновый статический вакуум.
Фрейзер:
Ладно. Итак, как мы видим доказательства для виртуальных частиц?
Павел:
Да, отличный вопрос. Мы знаем, что с вакуумом связана энергия. Мы знаем, что эти виртуальные частицы всегда исчезают и исчезают по нескольким причинам.
Одним из них является переход электрона в разные состояния атома. Если вы возбуждаете атом, электрон поднимается в состояние с более высокой энергией. У этого электрона нет причин возвращаться в состояние с более низкой энергией. Это уже там. Это на самом деле стабильное состояние. У него нет причин уходить, если только в электромагнитном поле нет небольшого колебания, и он может хихикать вокруг этого электрона, выбить его из состояния более высокой энергии и отправить его в более низкое состояние.
Другая вещь называется Сдвигом Агнца, и это когда волнообразно колеблющееся электромагнитное поле или виртуальные частицы снова взаимодействуют с электронами, например, с атомом водорода. Это может мягко подтолкнуть их вокруг, и этот сдвиг влияет на некоторые состояния электрона, а не на другие состояния. И на самом деле есть состояния, которые, как вы сказали бы, обладают точно такими же, скажем, энергетическими свойствами, они просто отчасти идентичны, но поскольку смещение Агнца, из-за этого колеблющегося колеблющегося электромагнитного поля, взаимодействует с одним из этих состояний, а не с другим, оно фактически слегка изменяет уровни энергии этих состояний, даже если вы ожидаете, что они будут совершенно одинаковыми.
И еще одно доказательство - рассеяние фотонов на фотонах, обычно два фотона просто летают друг на друга. Они электрически нейтральны, поэтому у них нет причин взаимодействовать, но иногда фотоны могут колебаться, например, в пары электрон / позитрон, и эта пара электрон / позитрон может взаимодействовать с другими фотонами. Поэтому иногда они отскакивают друг от друга. Это очень редко, потому что вы должны ждать, пока колебание не произойдет в нужное время, но это может произойти.
Фрейзер:
Так как они взаимодействуют с черными дырами?
Павел:
Хорошо, это суть дела. Какое отношение все эти виртуальные частицы или шаткие электромагнитные поля имеют к черным дырам и, в частности, к излучению Хокинга? Но проверьте это. Оригинальная формулировка Хокингса о том, что черные дыры могут излучать и терять массу, на самом деле не имеет ничего общего с виртуальными частицами. Или это не говорит непосредственно о виртуальных парах частиц, и фактически никакие другие формулировки или более современные концепции этого процесса не говорят о виртуальных парах частиц.
Вместо этого они больше говорят о самом поле и, в частности, о том, что происходит с полем до появления черной дыры, о том, что происходит с ним по мере образования черной дыры, а затем о том, что происходит с полем после его формирования. И это как бы задает вопрос: что происходит с этими волнистыми шаткими кусочками поля, такими как преходящая разновидность кипения вакуума электромагнитного поля? Что происходит с ней, когда формируется черная дыра?
Что же происходит, так это то, что некоторые из шатких шатающихся кусочков попадаются рядом с черной дырой, рядом с горизонтом событий во время его формирования, и они проводят там долгое время, и в конце концов они действительно убегают. Так что это занимает некоторое время, но когда они убегают из-за интенсивного искривления, интенсивного искривления пространства-времени, их можно повысить или повысить. Таким образом, вместо того, чтобы быть временно шаткими, в этой области они становятся «настоящими» частицами или «настоящими» фотонами. Так что это действительно похоже на взаимодействие образования самой черной дыры с волнистым шатким фоновым полем, которое в конечном итоге ускользает, потому что оно не совсем захвачено черной дырой.
В конце концов он ускользает и превращается в реальные частицы, и вы можете рассчитать, как то, что происходит, скажем, с ожидаемым числом частиц вблизи горизонта событий черной дыры. Ответ отрицательное число, которое означает, что черная дыра теряет массу и выплевывает частицы.
Теперь это популярное представление о виртуальных парах частиц, возникающих и попадающих в горизонт событий. Это не совсем связано с математикой излучения Хокинга, но и не совсем неправильно. Помните, что колебания в электромагнитном поле связаны с этими парами частиц и античастиц, которые постоянно появляются и исчезают. Они вроде идут рука об руку. Итак, говоря о шатких шатках в этой области, вы также говорите о производстве виртуальных частиц. И это не совсем математика, но вы знаете достаточно близко.
Фрейзер:
Хорошо, и, наконец, Пол. Мне нужно, чтобы вы просто случайно взорвали умы зрителей. Что-то о виртуальных частицах, это просто потрясающе!
Павел:
Хорошо. Так ты хочешь изгибать умы людей? Все в порядке. Я сохранял это в течение последнего. Что-то сочное, только для тебя, Фрейзер.
Проверьте это, это еще одно большое свидетельство, которое мы имеем для существования этих фоновых колебаний и существования виртуальных частиц, и это то, что мы называем Эффектом Казимира, или Силой Казимира.
Вы берете две нейтральные металлические пластины, и получается, что это поле, которое пронизывает все пространство-время, находится внутри пластин и находится вне пластин. Внутри пластин вы можете иметь только определенные длины волн мод. Почти как внутри трубы могут быть только определенные режимы, которые издают звук. Концы длин волн должны соединяться с пластинами, потому что именно это делают металлические пластины с электромагнитными полями.
Вне пластин вы можете иметь любую длину волны, какую захотите. Это не имеет значения.
Таким образом, это означает, что вне пластин у вас есть бесконечное число возможных длин волн мод. Есть все возможные колебания, колебания в электромагнитном поле, но внутри пластин только пластины определенной длины, которые могут поместиться внутри пластин.
Теперь снаружи существует бесконечное количество режимов. Внутри все еще бесконечное количество мод, чуть меньше бесконечного количества мод. И вы можете взять бесконечность снаружи и вычесть бесконечную бесконечность внутри, и на самом деле получить конечное число, и в результате вы получите давление или силу, которая объединяет пластины. И мы на самом деле измерили это. Это реальная вещь, и да, я не шучу, вы можете взять бесконечность минус другую бесконечность и получить конечное число. Возможно. Одним из примеров является константа Эйлера-Маскерони. Смею вас посмотреть!
Итак, поехали, теперь я надеюсь, что вы понимаете, что это за виртуальные частицы, как они обнаруживаются и как они способствуют испарению черной дыры.
И если вы еще этого не сделали, убедитесь, что вы нажали здесь и перейдете на его канал. Вы найдете десятки видеороликов, отвечающих на одинаково сногсшибательные вопросы. На самом деле, присылайте свои вопросы, и он может просто сделать видео и ответить на них.
Подкаст (аудио): Скачать (Продолжительность: 12:26 - 4.8MB)
Подписаться: Apple Podcasts | Android | RSS
Подкаст (видео): Скачать (Продолжительность: 12:29 - 205,6 МБ)
Подписаться: Apple Podcasts | Android | RSS
