Articles

er virtuelle partikler virkelig konstant popping ind og ud af eksistensen? Eller er de blot en matematisk bogholderi enhed til kvantemekanik?

Gordon Kane, direktør for Michigan Center for Teoretisk Fysik ved University of Michigan i Ann Arbor, giver dette svar.

virtuelle partikler er faktisk virkelige partikler. Kvanteteori forudsiger, at hver partikel bruger nogen tid som en kombination af andre partikler på alle mulige måder. Disse forudsigelser er meget godt forstået og testet.kvantemekanik tillader og kræver faktisk midlertidige krænkelser af energibesparelsen, så en partikel kan blive et par tungere partikler (de såkaldte virtuelle partikler), som hurtigt går ind i den oprindelige partikel som om de aldrig havde været der. Hvis det var alt, hvad der skete, ville vi stadig være sikre på, at det var en reel effekt, fordi det er en iboende del af kvantemekanikken, som er ekstremt godt testet og er en komplet og tætvævet teori-hvis nogen del af det var forkert, ville hele strukturen kollapse.

men mens de virtuelle partikler kort er en del af vores verden, kan de interagere med andre partikler, og det fører til en række tests af de kvantemekaniske forudsigelser om virtuelle partikler. Den første test blev forstået i slutningen af 1940 ‘ erne. I et hydrogenatom er en elektron og en proton bundet sammen af fotoner (kvanta af det elektromagnetiske felt). Hver foton vil bruge lidt tid som en virtuel elektron plus dens antipartikel, den virtuelle positron, da dette er tilladt af kvantemekanik som beskrevet ovenfor. Hydrogenatomet har to energiniveauer, der tilfældigvis synes at have den samme energi. Men når atomet er i et af disse niveauer, interagerer det forskelligt med den virtuelle elektron og positron, end når det er i den anden, så deres energier skiftes en lille smule på grund af disse interaktioner. Dette skift blev målt ved Lam, og Lamskiftet blev født, for hvilket en Nobelpris til sidst blev tildelt.

kvarker er partikler meget som elektroner, men forskellige, fordi de også interagerer via den stærke kraft. To af de lettere kvarker, de såkaldte “op” og “ned” kvarker, binder sammen for at udgøre protoner og neutroner. Den” øverste ” kvark er den tungeste af de seks typer kvarker. I begyndelsen af 1990 ‘ erne var det blevet forudsagt at eksistere, men var ikke blevet set direkte i noget eksperiment. På LEP collider ved Det Europæiske partikelfysiklaboratorium CERN blev der produceret millioner af bosoner-partiklerne, der formidler neutrale svage interaktioner-og deres masse blev meget nøjagtigt målt. Standardmodellen for partikelfysik forudsiger Bosonens masse, men den målte værdi varierede lidt. Denne lille forskel kunne forklares med hensyn til den tid, de brugte som en virtuel topkvark, hvis en sådan topkvark havde en vis masse. Da den øverste kvarkmasse blev målt direkte et par år senere på Tevatron collider ved Fermi National Accelerator Laboratory nær Chicago, var værdien enig med den, der blev opnået fra den virtuelle partikelanalyse, hvilket gav en dramatisk test af vores forståelse af virtuelle partikler.

en anden meget god test, som nogle læsere måske ønsker at slå op, som vi ikke har plads til at beskrive her, er Casimir-effekten, hvor kræfter mellem metalplader i tomt rum modificeres af tilstedeværelsen af virtuelle partikler.

således er virtuelle partikler faktisk virkelige og har observerbare effekter, som fysikere har udtænkt måder at måle på. Deres egenskaber og konsekvenser er veletablerede og godt forstået konsekvenser af kvantemekanik.