Термином «виртуальность» современного человека не удивишь, все слышали про какие-то «виртуальные реальности» и тому подобное. Вообще слово «виртуальный» стало относиться к компьютерным технологиям, играм. Забавно, что в английском языке это слово может использоваться как синоним реальности, действительного. Интересно, используется когда-либо в настоящее время.
Но может как раз именно с таким значением слово применяется в нашей дальнейшей теме. И да, она совсем не о компьютерных технологиях, а о нашей любимой физике. Я стараюсь выделять и рассказывать про особенно интересные темы из для многих нудной науки, чтобы показать, насколько она на самом деле интересная и чудесная.
И виртуальные частицы, которые не совсем виртуальные, и не совсем реальные, черт ногу сломит, именно к таким чудесам природы и относятся. Это очень удивительная и обширная тема, по которой пройдемся только поверхностно, чтобы создать понимание, насколько невообразим наш мир.
В физике есть кроме собственно виртуальных частиц другие многие странные объекты, о которых я расскажу отдельно. Просто чтобы не получился текст слишком огромного объема. Условно, все эти объекты можно разделить на следующие:
— Собственно виртуальные частицы квантовой физики.
— Квазичастицы (как-бы-частицы).
— Другие частица-подобные объекты.
Вот первый вид и затронем. О да, сразу запахло квантовой механикой! Очень много в ней необычного и интересного, от чего трещат мозги. Но есть чем удивить и без нее — как раз второй и третий пункт на потом. А пока опять о любимой квантухе нашей. Максимально простыми словами.
Что такое виртуальные частицы вообще в принципе? Как обычно и бывает, всякие странные объекты замечают сначала при вычислениях, при упрощении формул, изучения их свойств. Обнаружились странные слагаемые, которые были очень похожи на обычные частицы, но все же не совсем. Их свойства как бы нарушали основные ограничения принятой физики, и потому по идее не могли быть объективными. Но оказались очень удобными для описания всяких физических процессов, и потому активно начали использоваться.
Для далёкого от физики может звучать странно, мол в формуле слагаемые это частицы. Но часто так и бывает, слагаемые формул отражают различных участников рассматриваемого процесса, это могут быть тела, какие-то силы, поля. Просто вспомните из школы, как общая сила действующая на тело — сумма всех действующих сил. Что-то типа такого, просто формулы сложнее.
Оказалось, открытые странные частицы проявляются как участники различных атомных процессов, такие как слияние частиц, распады частиц, поглощения и испускания фотонов, всякие странные квантовые эффекты. Казалось бы, надо радоваться, они внесли стройность и упростили формулы, но если начать считать характеристики этих объектов, то у них то массы отрицательные, то скорости бесконечные, фу ты.
И хотя дискуссия о том, являются ли эти частицы действительно существующими объектами, все еще ведется, вокруг нее очень много интересных удивительных моментов. Например, эти виртуальные частицы могут брать и превращаться в реальные. Они действуют макроскопически на окружающий мир, проявляют себя (эффект Казимира, или даже буквально передача энергии между обмотками трансформаторов), они вызывают кучу постоянно наблюдаемых невооружённым глазом вокруг явлений.
Причем, несмотря на необычность физических свойств этих частиц (точнее, на их бессмысленность), квантовая теория поля не запрещает им существовать. Потому что согласно этой теории, никакие величины в мире не могут быть измерены абсолютно идеально точно, только с некоторой определенной погрешность. И эта погрешность не ограничения математики или там измерительных приборов, эта погрешность есмь более чем физическое свойство самого нашего пространства-времени.
И именно эта погрешность проявляет себя в поведении реальных объектов во взаимодействии и вообще существовании. Именно эта неточность делает мир странным и невообразимым, потому что эти погрешности имеют величины, выходящие за не то что современные, но даже мыслимые точности измерений приборов. Но заметны даже в повседневной реальности. Потому что даже такие банальные окружающие нас явления как поглощения и испускание фотона электроном, смена энергетических орбиталей, проходит с участием виртуальных частиц.
Сознание трещит по швам, когда начинаешь пытаться представлять себе новую картину мира, в которой виртуальные частицы имеют место как всё же физические объекты, а не математические абстракции. Вакуум, который и так был недостижим до идеальной чистоты в обычной классической физике, перестает быть пустым даже при этой самой идеальной чистоте. Потому что в абсолютно пустом пространстве постоянно рождаются пары виртуальных частиц и античастиц, и тут же аннигилируют.
Да, вакуум, наша это пустота, не пустая, а представляет такой жужжащий рой множества виртуальных частиц. Более того, которые могут вполне себе превращаться спонтанно в реальные, что наблюдается в опытах. А все из-за того, что по той самой погрешности энергия вакуума в среднем не равна нулю, а значит эта энергия может перейти в материю. Отсюда, кстати, и тянется теория о том, что мы может быть существуем в ложном вакууме, который даже может схлопнуться в истинный.
Или чего стоит представить, что наш привычный образ атома в виде ядра вокруг которого вращаются электроны (пусть даже в виде облаков), далеко не полный. Потому как вокруг реальных частиц постоянно кружатся рои и тучи виртуальных частиц, и реальные частицы постоянно ими обмениваются друг с другом. Добавьте к нашей привычной схеме то, что вокруг ядра атома постоянно витает облако виртуальных частиц, и вокруг каждого вращающегося электрона витает свое облако виртуальных частиц, и ядро с электроном обменивается потоком виртуальных частиц, и что в пустоте вокруг постоянно жужжат рождающиеся из ничего и туда же исчезающие виртуальные частиц, и что и в нуклонах и в самом электроне рои виртуальных частиц…
О да, наш мир совсем не такой уютный и простой, как все время хочется его представлять. Весь мир вокруг — какой-то жужжащий и бурлящий поток каких-то полуэфемерных структур, бесконечных искривленных полей, хаотичных клокочущих возмущений, материи неотделимой от абстракций, ужасающий и бескрайний океан невообразимых и невыразимых, чуждых всему человеческому модусов.
Миленько, не правда ли? Уж Лавкрафт бы точно оценил. Но когда действительно погружаешься в физику, с чем-то таким и приходится сталкиваться, после чего всякие там эзотерические примитивные домыслы становятся исключительно скучны. Реальный окружающий мир может удивлять очень многим, и, думаю, не меньше удивительных открытий еще впереди.