Частицы, которых не существует, помогают физикам раскрыть природу Вселенной

Невидимые, кратковременные и чисто математические — так называемые виртуальные частицы являются одним из самых парадоксальных инструментов современной физики. Хотя они не существуют в физическом смысле, именно благодаря им ученые могут объяснять, как взаимодействуют между собой реальные частицы, которые можно "увидеть" или обнаружить с помощью соответствующих приборов, в частности внутри атомов, пишет ScienceAlert.

Этот инструмент был создан для описания трех фундаментальных сил природы — электромагнетизма, сильного и слабого ядерных взаимодействий. И хотя виртуальные частицы нельзя наблюдать непосредственно, расчеты с их использованием дают результаты с точностью до 12 знаков после запятой. Такая точность сравнима с измерением расстояния между Северным и Южным полюсами с погрешностью, меньшей ширины волоса.

Виртуальные частицы, несмотря на свою "нереальность", стали самым точным и наиболее проверенным понятием в физике. Это заставляет часть ученых задуматься: если выдумка настолько точна, не является ли она проявлением реального явления?

Как работает "выдумка"

Понятие виртуальных частиц предложил Ричард Фейнман, создав диаграммы, которые до сих пор являются основным способом описания взаимодействия элементарных частиц. В этих диаграммах недолговременные виртуальные частицы "переносят" силы между реальными частицами — подобно бухгалтерскому учету энергии, временно "заимствуемой" из вакуума.

Этот подход помог решить давнюю загадку о том, как действуют силы в пустом пространстве. В квантовой физике такая размытость энергии позволяет частицам ненадолго возникать из ничего, влияя на реальные процессы, а затем так же быстро исчезать.

Доказательства в действии

Университет штата Миссисипи провел эксперимент по измерению размера протона, бомбардируя атомы водорода электронным пучком. Результаты подтвердили, что электроны "чувствуют" протон через обмен виртуальными фотонами — частицами электромагнитной энергии, которые формально не существуют.

Подобным образом, виртуальные частицы объясняют эффект Казимира, когда две металлические пластины в вакууме притягиваются друг к другу без всякого контакта. И даже явление, предсказанное Стивеном Хокингом — излучения черных дыр, базируется на том, что пары виртуальных частиц появляются на краю, после чего одна "убегает", а другую захватывает черная дыра.

Хотя излучение Хокинга пока не наблюдалось напрямую, его косвенные подтверждения укрепляют позиции теории, которая опирается именно на виртуальные частицы.

Реальность или удобная иллюзия?

Несмотря на успешные расчеты, физики до сих пор не имеют общего мнения по этому вопросу. Одни считают, что виртуальные частицы — полезная абстракция, которая позволяет описать сложные взаимодействия. Другие — что эти частицы имеют определенный реальный физический статус, ведь их существование подтверждается последствиями в измеряемых явлениях.

Впрочем, существуют и альтернативные подходы к квантовым расчетам, не требующие понятия виртуальных частиц. Если они окажутся успешными, нынешняя концепция может исчезнуть из науки, так же как когда-то исчез "эфир" — вымышленная среда, через которую, по представлениям физиков XIX века, распространяется свет.

Парадокс в том, что виртуальные частицы не должны существовать, но без них невозможно вычислить ни одно явление — от взаимодействия электронов до поведения черных дыр. Они воплощают главную дилемму современной науки: иногда самое точное понимание реальности рождается из искусно созданной иллюзии. Возможно, именно благодаря этой "выдумке" человечество и приблизилось к глубочайшему пониманию того, из чего состоит Вселенная.

Недавно ученые создали эмулятор под названием Effort.jl, который использует нейронную сеть для картографирования крупномасштабной структуры Вселенной в десятки раз быстрее традиционных методов. Этот инструмент был разработан для замены сложных и ресурсозатратных расчетов Эффективной теории поля, позволяя получать точные прогнозы относительно распределения материи без использования суперкомпьютеров.