jsou virtuální částice opravdu neustále objevovat dovnitř a ven z existence? Nebo jsou to jen matematické účetní zařízení pro kvantovou mechaniku?
Gordon Kane, ředitel Michiganského Centra pro teoretickou fyziku na University of Michigan v Ann Arbor, poskytuje tuto odpověď.
virtuální částice jsou skutečně reálné částice. Kvantová teorie předpovídá, že každá částice tráví nějaký čas jako kombinace jiných částic všemi možnými způsoby. Tyto předpovědi jsou velmi dobře pochopeny a testovány.
Kvantová mechanika dovoluje, a dokonce vyžaduje, dočasné porušení zachování energie, takže jedna částice může stát pár těžších částic (tzv. virtuální částice), který se rychle vrátit do původní částice, jako kdyby tam nikdy nebyl. Kdyby to bylo všechno, že došlo bychom ještě být jisti, že to byl skutečný účinek, protože je nedílnou součástí kvantové mechaniky, který je velmi dobře vyzkoušené, a je kompletní a pevně tkané teorie-pokud nějaká část z toho byla špatná celá konstrukce by se zhroutila.
ale zatímco virtuální částice jsou krátce součástí našeho světa, mohou interagovat s jinými částicemi, což vede k řadě testů kvantově-mechanických předpovědí o virtuálních částicích. První test byl pochopen koncem 40.let. V atomu vodíku jsou elektron a proton spojeny fotony (kvanta elektromagnetického pole). Každý foton stráví nějaký čas jako virtuální elektron plus jeho antičástice, virtuální pozitron, protože to umožňuje kvantová mechanika, jak je popsáno výše. Atom vodíku má dvě energetické úrovně, které se shodou okolností zdají mít stejnou energii. Ale když je atom v jedné z těchto úrovní, interaguje odlišně s virtuálním elektronem a pozitronem, než když je v druhém, takže jejich energie jsou kvůli těmto interakcím trochu posunuty. Tento posun byl měřen Willisem Lambem a zrodil se Lamb shift, za který byla nakonec udělena Nobelova cena.
kvarky jsou částice podobné elektronům, ale liší se tím, že také interagují prostřednictvím silné síly. Dva z lehčích kvarků, takzvané kvarky“ nahoru „a“ dolů“, se váží dohromady a tvoří protony a neutrony. „Horní“ kvark je nejtěžší ze šesti typů kvarků. Na počátku 90. let se předpokládalo, že existuje, ale nebylo přímo vidět v žádném experimentu. Na urychlovači LEP v Evropské laboratoře pro fyziku částic CERN, miliony Z bosony-částice, které zprostředkovávají neutrální slabé interakce-byly vyrobeny a jejich hmotnost byla velmi přesně změřena. Standardní Model částicové fyziky předpovídá hmotnost bosonu Z, ale naměřená hodnota se trochu lišila. Tento malý rozdíl lze vysvětlit z hlediska času, který Z strávil jako virtuální horní kvark, pokud takový horní kvark měl určitou hmotnost. Když top kvark hmotnost byla přímo měřit o pár let později na urychlovači Tevatron ve Fermi National Accelerator Laboratory v blízkosti Chicaga, hodnota souhlasil s tím získaný z virtuální částice analýzy, poskytuje dramatické test našeho chápání virtuálních částic.
Další velmi dobrý test, někteří čtenáři mohou chtít podívat se, které nemáme prostor popisovat zde, je Casimirův efekt, kde síly mezi kovové desky v prázdném prostoru jsou modifikovány přítomností virtuálních částic.
virtuální částice jsou tedy skutečně skutečné a mají pozorovatelné účinky, které fyzici vymysleli způsoby měření. Jejich vlastnosti a důsledky jsou dobře zavedené a dobře srozumitelné důsledky kvantové mechaniky.