O QUE SãO PARTíCULAS VIRTUAIS?

Send

Às vezes, descubro o ponto fraco dos meus artigos com base nos e-mails e comentários que eles recebem.

Um artigo popular que fizemos foi sobre a compreensão de Stephen Hawking de que os buracos negros devem evaporar por longos períodos de tempo. Conversamos sobre o mecanismo e mencionamos como existem essas partículas virtuais que surgem e desaparecem.

Normalmente essas partículas se aniquilam, mas na borda do horizonte de eventos de um buraco negro, uma partícula cai, enquanto outra fica livre para vagar pelo cosmos. Como você não pode criar partículas do nada, o buraco negro precisa se sacrificar um pouco para comprar a liberdade dessa partícula recém-formada.

Mas meu pequeno artigo não foi suficiente para esclarecer exatamente o que são partículas virtuais. Claramente, todos vocês queriam mais informações. O que eles são? Como eles são detectados? O que isso significa para os buracos negros?

Em situações como essa, quando eu sei que a Polícia Física está assistindo, eu gosto de chamar uma campainha. Mais uma vez, vou voltar e conversar com meu bom amigo e o astrofísico que trabalha, Dr. Paul Matt Sutter. Ele escreveu artigos sobre assuntos como a Análise Bayesiana do Amanhecer Cósmico e Simulações MHD de Fluxos Magnéticos. Ele realmente sabe as coisas dele.

Fraser Cain:
Hey Paul, primeira pergunta: o que são partículas virtuais?

Paul Matt Sutter:
Bem. Sem pressão, Fraser. Está bem, está bem.

Para entender o conceito de partículas virtuais, você realmente precisa dar um passo atrás e pensar no campo, especialmente no campo eletromagnético. Em nossa visão atual de como o universo funciona, todo o espaço e tempo são preenchidos com esse tipo de campo de fundo. E esse campo pode balançar e balançar ao redor, e às vezes essas oscilações são como ondas que se propagam para a frente, e chamamos essas ondas de fótons ou radiação eletromagnética, mas às vezes ele pode simplesmente ficar sentado lá e você sabe bloop bloop bloop, você sabe pop fracassar dentro e fora, ou para cima e para baixo, e meio que ferver um pouco por conta própria.

De fato, todo o espaço de tempo é meio que balançando / balançando em torno deste campo, mesmo no vácuo. Um vácuo não é a ausência de tudo. O vácuo é exatamente onde esse campo está em seu estado de energia mais baixo. Mas mesmo estando nesse estado de energia mais baixa, mesmo que, em média, talvez não haja nada lá. Não há nada que o impeça de apenas bloop bloop bloop você sabe borbulhando por aí.

Então, na verdade, o vácuo está fervendo com esses campos. Em particular, o campo eletromagnético sobre o qual estamos falando agora.

E sabemos que os fótons, essa luz, podem se transformar em pares de partículas e antipartículas. Pode se transformar em um elétron e um pósitron. Pode apenas fazer isso. Isso pode acontecer com fótons normais, e pode acontecer com esse tipo de fótons temporários oscilantes.

Às vezes, um fóton ou, às vezes, o campo eletromagnético pode se propagar de um lugar para outro, e chamamos de fóton. E esse fóton pode se dividir em um pósitron e um elétron, e outras vezes ele pode balançar meio que no lugar e depois balançar POP POP. Ele aparece em um pósitron e um elétron e, em seguida, eles colidem um com o outro ou o que quer que seja, e eles simplesmente fervem de volta. Então, wibble wobble, pop pop, fizz fizz é o que acontece no vácuo o tempo todo, e esse é o nome que damos a essas partículas virtuais que são apenas o tipo normal de distorção de fundo ou estática no vácuo.

Fraser:
OK. Então, como vemos evidências de partículas virtuais?

Paulo:
Sim, ótima pergunta. Sabemos que o vácuo tem uma energia associada a ele. Sabemos que essas partículas virtuais estão sempre entrando e saindo da existência por alguns motivos.

Uma é a transição do elétron em diferentes estados do átomo. Se você excitar o átomo, o elétron aparece em um estado de energia mais alto. Não existe uma razão para esse elétron voltar a um estado de energia mais baixo. Já está lá. Na verdade, é um estado estável. Não há razão para que ele saia, a menos que haja pouca oscilação no campo eletromagnético e ele possa rir ao redor desse elétron e derrubá-lo desse estado de energia mais alto e enviá-lo para um estado mais baixo

Outra coisa é chamada de Mudança de Cordeiro, e é quando o campo eletromagnético oscilante oscilante ou as partículas virtuais interagem novamente com os elétrons, por exemplo, um átomo de hidrogênio. Ele pode empurrá-los gentilmente, e essa mudança afeta alguns estados do elétron e não outros. E, na verdade, existem estados que você diria ter exatamente as mesmas propriedades de energia, elas são simplesmente idênticas, mas porque a Mudança de Cordeiro, por causa desse campo eletromagnético oscilante e oscilante, interage com um desses estados e não com o outro, na verdade altera sutilmente os níveis de energia desses estados, mesmo que você esperasse que eles fossem completamente iguais.

E outra evidência está na dispersão de fótons, geralmente dois fótons apenas voam, voam um pelo outro. Eles são eletricamente neutros, portanto não têm motivos para interagir, mas às vezes os fótons podem oscilar entre os pares de elétrons / pósitron, e esse par de elétrons / pósitrons pode interagir com os outros fótons. Então, às vezes eles se refletem. É super raro, porque você precisa esperar a oscilação da wibble na hora certa, mas isso pode acontecer.

Fraser:
Então, como eles interagem com os buracos negros?

Paulo:
Tudo bem, este é o cerne da questão. O que todas essas partículas virtuais ou campos eletromagnéticos oscilantes têm a ver com buracos negros e, especificamente, com a radiação Hawking? Mas veja isso. A formulação original dessa ideia de que buracos negros podem irradiar e perder massa não tem nada a ver com partículas virtuais. Ou não fala diretamente sobre pares de partículas virtuais e, de fato, nenhuma outra formulação ou concepção mais moderna desse processo fala sobre pares de partículas virtuais.

Em vez disso, eles falam mais sobre o próprio campo e, especificamente, o que está acontecendo com o campo antes que o buraco negro esteja lá, o que está acontecendo quando o buraco negro se forma e, em seguida, o que acontece com o campo depois que ele é formado. E isso meio que faz uma pergunta: o que acontece com esses trechos trêmulos do campo, como o tipo transitório da natureza fervente do vácuo do campo eletromagnético? O que acontece quando esse buraco negro está se formando?

Bem, o que acontece é que alguns dos fragmentos trêmulos ficam presos perto do buraco negro, perto do horizonte de eventos que está se formando, e eles passam muito tempo lá, e eventualmente escapam. Por isso, leva um tempo, mas quando eles escapam por causa da intensa curvatura ali, da intensa curvatura do espaço-tempo, podem ser estimulados ou promovidos. Então, em vez de ficarem temporariamente trêmulos, no campo eles são estimulados a se tornar partículas "reais" ou fótons "reais". Então, é realmente como uma interação da formação do buraco negro com o campo de fundo oscilante, que eventualmente escapa porque não está completamente preso pelo buraco negro.

Eventualmente, ele escapa e se transforma em partículas reais, e você pode calcular como o que acontece com, digamos, o número esperado de partículas próximo ao horizonte de eventos do buraco negro. A resposta é o número negativo, o que significa que o buraco negro está perdendo massa e cuspindo partículas.

Agora, essa concepção popular de pares virtuais de partículas surge e fica presa no horizonte de eventos. Isso não está exatamente ligado à matemática da radiação Hawking, mas também não está exatamente errado. Lembre-se de que a oscilação do campo eletromagnético está relacionada a esses pares de partículas e anti-partículas que estão constantemente surgindo e desaparecendo. Eles meio que andam de mãos dadas. Então, falando sobre o wibbly wobbly's no campo, você também está falando sobre a produção de partículas virtuais. E não é exatamente a matemática, mas você sabe o suficiente.

Fraser:
Ok, e finalmente, Paul. Eu preciso que você exploda aleatoriamente a mente dos telespectadores. Algo sobre partículas virtuais que é incrível!

Paulo:
Bem. Então você quer dobrar a mente das pessoas? Tudo certo. Eu estava guardando isso para o final. Algo suculento, só para você, Fraser.

Confira, é mais uma grande evidência que temos da existência dessas flutuações de fundo e da existência de partículas virtuais, e isso é algo que chamamos de Efeito Casimir, ou Força Casimir.

Você pega duas placas de metal neutras, e o que acontece é esse campo que permeia todo o espaço-tempo dentro das placas e fora delas. Dentro das placas, você só pode ter certos comprimentos de onda dos modos. Quase como o interior de uma trombeta só pode ter certos modos que produzem som. As extremidades dos comprimentos de onda devem se conectar às placas, porque é isso que as placas de metal fazem nos campos eletromagnéticos.

Fora das placas, você pode ter qualquer comprimento de onda que desejar. Não importa.

Portanto, fora das placas, você tem um número infinito de possíveis comprimentos de onda dos modos. Todo tipo de flutuação possível, oscilação de oscilação no campo eletromagnético, existe, mas dentro das placas são apenas certos comprimentos de onda que podem caber dentro das placas.

Agora, lá fora, há um número infinito de modos. No interior, ainda há um número infinito de modos, apenas um pouco menos número infinito de modos. E você pode pegar o infinito do lado de fora e subtrair o infinito do infinito por dentro e obter um número finito, e o que acaba sendo uma pressão ou uma força que une as placas. E nós realmente medimos isso. Isso é real e, sim, não estou brincando, você pode pegar o infinito menos um infinito diferente e obter um número finito. É possível. Um exemplo é a constante de Euler Mascheroni. Eu te desafio a procurar!

Então vamos lá, agora espero que você entenda o que são essas partículas virtuais, como elas são detectadas e como elas contribuem para a evaporação de um buraco negro.

E se você ainda não o fez, clique aqui e acesse o canal dele. Você encontrará dezenas de vídeos respondendo a perguntas igualmente perturbadoras. De fato, envie suas perguntas e ele poderá apenas fazer um vídeo e respondê-las.