Частинки, яких не існує, допомагають фізикам розкрити природу Всесвіту

Невидимі, короткочасні й суто математичні — так звані віртуальні частинки є одним із найпарадоксальніших інструментів сучасної фізики. Хоча вони не існують у фізичному сенсі, саме завдяки ним учені можуть пояснювати, як взаємодіють між собою реальні частинки, які можна “побачити” або виявити за допомогою відповідних приладів, зокрема всередині атомів, пише ScienceAlert.

Цей інструмент був створений для опису трьох фундаментальних сил природи — електромагнетизму, сильної та слабкої ядерних взаємодій. І хоча віртуальні частинки не можна спостерігати безпосередньо, розрахунки з їхнім використанням дають результати з точністю до 12 знаків після коми. Така точність порівняна з вимірюванням відстані між Північним і Південним полюсами з похибкою, меншою за ширину волосини.

Віртуальні частинки, попри свою “нереальність”, стали найточнішим і найбільш перевіреним поняттям у фізиці. Це змушує частину науковців замислитись: якщо вигадка настільки точна, чи не є вона проявом реального явища?

Як працює “вигадка”

Поняття віртуальних частинок запропонував Річард Фейнман, створивши діаграми, які досі є основним способом опису взаємодії елементарних частинок. У цих діаграмах недовготривалі віртуальні частинки “переносять” сили між реальними частинками — подібно до бухгалтерського обліку енергії, що тимчасово “запозичується” з вакууму.

Цей підхід допоміг вирішити давню загадку про те, як діють сили у порожньому просторі. У квантовій фізиці така розмитість енергії дозволяє частинкам ненадовго виникати з нічого, впливаючи на реальні процеси, а потім так само швидко зникати.

Докази в дії

Університет штату Міссісіпі провів експеримент із вимірювання розміру протона, бомбардуючи атоми водню електронним пучком. Результати підтвердили, що електрони “відчувають” протон через обмін віртуальними фотонами — частинками електромагнітної енергії, які формально не існують.

Подібним чином, віртуальні частинки пояснюють ефект Казимира, коли дві металеві пластини у вакуумі притягуються одна до одної без жодного контакту. І навіть явище, передбачене Стівеном Гокінгом — випромінювання чорних дір, базується на тому, що пари віртуальних частинок з’являються на краю, після чого одна “втікає”, а іншу захоплює чорна діра.

Хоча випромінювання Гокінга поки не спостерігалося напряму, його непрямі підтвердження зміцнюють позиції теорії, яка спирається саме на віртуальні частинки.

Реальність чи зручна ілюзія?

Попри успішні розрахунки, фізики досі не мають спільної думки щодо цього питання. Одні вважають, що віртуальні частинки — корисна абстракція, яка дозволяє описати складні взаємодії. Інші — що ці частинки мають певний реальний фізичний статус, адже їхнє існування підтверджується наслідками у вимірюваних явищах.

Втім, існують і альтернативні підходи до квантових розрахунків, які не потребують поняття віртуальних частинок. Якщо вони виявляться успішними, нинішня концепція може зникнути з науки, так само як колись зник “ефір” — вигадане середовище, через яке, за уявленнями фізиків XIX століття, поширюється світло.

Парадокс у тому, що віртуальні частинки не повинні існувати, але без них неможливо обчислити жодне явище — від взаємодії електронів до поведінки чорних дір. Вони втілюють головну дилему сучасної науки: іноді найточніше розуміння реальності народжується з майстерно створеної ілюзії. Можливо, саме завдяки цій “вигадці” людство й наблизилося до найглибшого розуміння того, з чого складається Всесвіт.

Нещодавно науковці створили емулятор під назвою Effort.jl, який використовує нейронну мережу для картографування великомасштабної структури Всесвіту в десятки разів швидше за традиційні методи. Цей інструмент був розроблений для заміни складних і ресурсозатратних розрахунків Ефективної теорії поля, дозволяючи отримувати точні прогнози щодо розподілу матерії без використання суперкомп'ютерів.