A volte capisco il punto debole nei miei articoli in base alle e-mail e ai commenti che ricevono.
Un articolo popolare che abbiamo fatto riguardava la realizzazione di Stephen Hawking secondo cui i buchi neri devono evaporare per lunghi periodi di tempo. Abbiamo parlato del meccanismo e menzionato come ci sono queste particelle virtuali che pop-up dentro e fuori dall'esistenza.
Normalmente queste particelle si autoannichinano, ma ai margini dell'orizzonte degli eventi di un buco nero, una particella cade dentro, mentre un'altra è libera di vagare nel cosmo. Dal momento che non puoi creare particelle dal nulla, il buco nero deve sacrificare un po 'di se stesso per acquistare la libertà di questa particella appena formata.
Ma il mio breve articolo non è stato sufficiente per chiarire esattamente quali particelle virtuali siano. Chiaramente, tutti voi volevate avere maggiori informazioni. Quali sono? Come vengono rilevati? Cosa significa questo per i buchi neri?
In situazioni come questa, quando so che la polizia fisica reale sta guardando, mi piace chiamare una suoneria. Ancora una volta, tornerò a parlare con il mio buon amico e l'astrofisico che lavora davvero, il dottor Paul Matt Sutter. Ha scritto articoli su argomenti come l'analisi bayesiana di Cosmic Dawn e le simulazioni MHD di deflussi magnetici. Sa davvero le sue cose.
Fraser Cain:
Ehi Paul, prima domanda: che cosa sono le particelle virtuali?
Paul Matt Sutter:
Tutto a posto. Nessuna pressione, Fraser. Ok ok.
Per ottenere il concetto di particelle virtuali devi effettivamente fare un passo indietro e pensare al campo, in particolare al campo elettromagnetico. Nella nostra attuale visione di come funziona l'universo di tutto lo spazio e il tempo è riempito con questo tipo di campo di sfondo. E questo campo può vibrare e vacillare in giro, e a volte questi wibble e wabbles sono come onde che si propagano in avanti, e chiamiamo queste onde fotoni o radiazioni elettromagnetiche, ma a volte può semplicemente sedersi lì e conosci bloop bloop bloop, solo tu conosci pop sfrigolare dentro e fuori, o su e giù, e far bollire un po 'tutto da solo.
In effetti tutto lo spazio temporale è una specie di vibrazione / oscillazione intorno a questo campo anche nel vuoto. Il vuoto non è l'assenza di tutto. Il vuoto è proprio dove questo campo è nel suo stato di energia più basso. Ma anche se è in quello stato di energia più basso, anche se forse in media non c'è nulla lì. Non c'è nulla che lo fermi da solo bloop bloop bloop che sai gorgogliare in giro.
Quindi in realtà il vuoto sta bollendo con questi campi. In particolare il campo elettromagnetico di cui stiamo parlando proprio ora.
E sappiamo che i fotoni, quella luce, possono trasformarsi in coppie di particelle, anti-particella. Può trasformarsi in dire un elettrone e un positrone. Può fare solo questo. Può succedere a fotoni normali e può accadere a questo tipo di fotoni traballanti temporanei.
Quindi a volte un fotone o talvolta il campo elettromagnetico può propagarsi da un luogo all'altro e lo chiamiamo fotone. E quel fotone può dividersi in un positrone ed un elettrone, e altre volte può semplicemente oscillare in un certo modo e quindi oscillare POP POP. Si apre in un positrone e in un elettrone e poi si schiantano l'uno contro l'altro o qualsiasi altra cosa, e si limitano a ridiscendere. Quindi, wibble wobble, pop pop, fizz fizz è una specie di cosa succede nel vuoto tutto il tempo, e questo è il nome che diamo a queste particelle virtuali sono solo il normale tipo di fuzz di sfondo o sfondo statico al vuoto.
Fraser:
Va bene. Quindi, come possiamo vedere le prove per le particelle virtuali?
Paolo:
Sì, ottima domanda. Sappiamo che il vuoto ha un'energia associata. Sappiamo che queste particelle virtuali sono sempre frizzanti dentro e fuori dall'esistenza per alcuni motivi.
Uno è la transizione dell'elettrone in diversi stati dell'atomo. Se ecciti l'atomo l'elettrone si apre a uno stato di energia superiore. Non c'è alcun motivo per cui quell'elettrone ritorni ad uno stato di energia inferiore. È già lì. In realtà è uno stato stabile. Non c'è motivo per cui se ne vada a meno che non ci siano piccole oscillazioni nel campo elettromagnetico e possa ridacchiare attorno a quell'elettrone e buttarlo fuori da quello stato di energia superiore e mandarlo a schiantarsi in uno stato inferiore
Un'altra cosa si chiama Lamb Shift, e questo è quando il campo elettromagnetico traballante traballante o le particelle virtuali interagiscono di nuovo con gli elettroni, per esempio un atomo di idrogeno. Può spingerli delicatamente in giro, e questo spostamento influenza alcuni stati dell'elettrone e non altri stati. E in realtà ci sono stati che diresti che hanno esattamente le stesse proprietà energetiche, sono solo identici, ma poiché il Lamb Shift, a causa di questo campo elettromagnetico traballante e instabile interagisce con uno di quegli stati e non con l'altro, in realtà cambia leggermente i livelli di energia di quegli stati anche se ti aspetteresti che siano completamente gli stessi.
E un'altra prova è la dispersione dei fotoni fotonici di solito due fotoni semplicemente, phweeet, volano l'uno dall'altro. Sono elettricamente neutri, quindi non hanno motivo di interagire, ma a volte i fotoni possono oscillare tra le coppie elettrone / positrone e quella coppia elettrone / positrone può interagire con gli altri fotoni. Quindi a volte rimbalzano l'un l'altro. È super raro perché devi aspettare che la vibrazione della vibrazione avvenga al momento giusto, ma può succedere.
Fraser:
Quindi come interagiscono con i buchi neri?
Paolo:
Bene, questo è il nocciolo della questione. Che cosa hanno a che fare tutte queste particelle virtuali o campi elettromagnetici vacillanti traballanti con i buchi neri e in particolare le radiazioni Hawking? Ma dai un'occhiata. La formulazione originale di Hawking di questa idea secondo cui i buchi neri possono irradiare e perdere massa in realtà non ha nulla a che fare con le particelle virtuali. Oppure non parla direttamente delle coppie di particelle virtuali, e in effetti nessuna altra formulazione o concezione più moderna di questo processo parla di coppie di particelle virtuali.
Invece, parlano di più del campo stesso e in particolare di ciò che sta accadendo al campo prima che ci sia il buco nero, cosa gli sta succedendo mentre si forma il buco nero, e poi cosa succede al campo dopo che si è formato. E in qualche modo pone una domanda: cosa succede a questi frammenti tremolanti del campo, come questi transitori di natura bollente del vuoto del campo elettromagnetico? Cosa succede quando si forma quel buco nero?
Bene, ciò che accade è che alcuni dei pezzi tremanti e tremanti vengono catturati vicino al buco nero, vicino all'orizzonte degli eventi mentre si sta formando, e trascorrono molto tempo lì, e alla fine scappano. Quindi ci vuole un po ', ma quando fuggono a causa dell'intensa curvatura lì, dell'intensa curvatura dello spazio-tempo, possono essere potenziati o promossi. Quindi, invece di essere temporaneamente vacillanti traballanti, sul campo vengono potenziati per diventare particelle "reali" o fotoni "reali". Quindi è davvero come un'interazione della formazione del buco nero stesso con il campo di sfondo traballante, che alla fine sfugge perché non è del tutto intrappolato dal buco nero.
Alla fine sfugge e si trasforma in particelle reali, e puoi calcolare come quello che succede dire il numero atteso di particelle vicino all'orizzonte degli eventi del buco nero. La risposta è il numero negativo, il che significa che il buco nero sta perdendo massa e sputando particelle.
Ora questa concezione popolare di coppie di particelle virtuali sta nascendo e una viene catturata nell'orizzonte degli eventi. Questo non è esattamente legato alla matematica della radiazione di Hawking, ma non è nemmeno esattamente sbagliato. Ricorda che le oscillazioni traballanti nel campo elettromagnetico sono correlate a queste coppie di particelle e anti-particelle che costantemente spuntano dentro e fuori dall'esistenza. In un certo senso vanno di pari passo. Quindi parlando di wibbly traballanti sul campo, stai anche parlando della produzione di particelle virtuali. E non è esattamente la matematica, ma sai abbastanza vicino.
Fraser:
Va bene, e infine, Paul. Ho bisogno che tu faccia esplodere casualmente le menti degli spettatori. Qualcosa sulle particelle virtuali che è semplicemente fantastico!
Paolo:
Tutto a posto. Quindi vuoi piegare le menti delle persone? Tutto ok. L'ho salvato per ultimo. Qualcosa di succoso, solo per te, Fraser.
Dai un'occhiata, è un'altra grande prova che abbiamo dell'esistenza di queste fluttuazioni di fondo e dell'esistenza di particelle virtuali, e questo è qualcosa che chiamiamo Effetto Casimir, o Forza Casimir.
Prendi due piastre di metallo neutro e ciò che accade è che questo campo che permea tutto lo spazio-tempo è dentro le piastre ed è fuori dalle piastre. All'interno dei piatti, puoi avere solo determinate lunghezze d'onda delle modalità. Quasi come l'interno di una tromba può avere solo determinate modalità che producono suono. Le estremità delle lunghezze d'onda devono connettersi alle piastre, perché è quello che fanno le piastre metalliche ai campi elettromagnetici.
Al di fuori dei piatti è possibile avere qualsiasi lunghezza d'onda desiderata. Non importa.
Quindi significa al di fuori dei piatti che hai un numero infinito di possibili lunghezze d'onda delle modalità. Ogni tipo di fluttuazione possibile, wibble wibble nel campo elettromagnetico è lì, ma all'interno delle piastre sono solo alcune lunghezze d'onda che possono adattarsi all'interno delle piastre.
Ora, fuori c'è un numero infinito di modalità. All'interno, c'è ancora un numero infinito di modalità, solo un numero leggermente inferiore di infinite modalità. E puoi prendere l'infinito all'esterno e sottrarre l'infinito all'infinito all'interno, e in realtà ottenere un numero finito, e quello con cui finisci è una pressione o una forza che unisce le piastre. E abbiamo effettivamente misurato questo. Questa è una cosa reale, e sì, non sto scherzando, puoi prendere l'infinito meno un infinito diverso e ottenere un numero finito. È possibile. Un esempio è la costante Euler Mascheroni. Ti sfido a cercarlo!
Quindi eccoti, ora spero che tu capisca cosa sono queste particelle virtuali, come vengono rilevate e come contribuiscono all'evaporazione di un buco nero.
E se non l'hai già fatto, assicurati di fare clic qui e vai sul suo canale. Troverai dozzine di video che rispondono a domande altrettanto sconvolgenti. In effetti, invia le tue domande e potrebbe semplicemente fare un video e rispondere.
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