Was sind virtuelle Partikel?

Manchmal finde ich die Schwachstelle in meinen Artikeln anhand der E-Mails und Kommentare heraus, die sie erhalten.

Ein beliebter Artikel, den wir geschrieben haben, befasste sich mit Stephen Hawkings Erkenntnis, dass Schwarze Löcher über weite Zeiträume verdunsten müssen. Wir sprachen über den Mechanismus und erwähnten, wie es diese virtuellen Teilchen gibt, die ein- und ausgehen.

Normalerweise vernichten sich diese Teilchen von selbst, aber am Rande des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs fällt ein Teilchen hinein, während ein anderes frei ist, durch den Kosmos zu wandern. Da Sie keine Partikel aus dem Nichts erzeugen können, muss das Schwarze Loch ein wenig von sich selbst opfern, um die Freiheit dieses neu gebildeten Partikels zu erlangen.

Mein kurzer Artikel reichte jedoch nicht aus, um genau zu klären, was virtuelle Partikel sind. Natürlich wollten Sie alle mehr Informationen. Was sind Sie? Wie werden sie erkannt? Was bedeutet das für Schwarze Löcher?

In solchen Situationen, wenn ich weiß, dass die eigentliche Physikpolizei zuschaut, rufe ich gerne einen Klingelton an. Ich werde noch einmal zurückgehen und mit meinem guten Freund und tatsächlich arbeitenden Astrophysiker, Dr. Paul Matt Sutter, sprechen. Er hat Artikel zu Themen wie der Bayes'schen Analyse der kosmischen Morgendämmerung und MHD-Simulationen magnetischer Abflüsse verfasst. Er kennt sich wirklich gut aus.


Fraser Cain:
Hey Paul, erste Frage: Was sind virtuelle Partikel?

Paul Matt Sutter:
In Ordung. Kein Druck, Fraser. Okay okay.

Um das Konzept der virtuellen Teilchen zu erhalten, müssen Sie einen Schritt zurücktreten und über das Feld nachdenken, insbesondere über das elektromagnetische Feld. In unserer gegenwärtigen Ansicht, wie das Universum funktioniert, ist der gesamte Raum und die gesamte Zeit mit dieser Art von Hintergrundfeld gefüllt. Und dieses Feld kann herumwackeln und wabbeln, und manchmal sind diese Wabbles und Wabbles wie Wellen, die sich vorwärts ausbreiten, und wir nennen diese Wellen Photonen oder elektromagnetische Strahlung, aber manchmal kann es einfach dort sitzen und Sie wissen, dass Bloop Bloop Bloop, nur Sie wissen Pop sprudeln rein und raus oder rauf und runter und kochen ein bisschen von alleine.

Tatsächlich wackelt / wabbert der gesamte Zeitraum selbst in einem Vakuum um dieses Feld. Ein Vakuum ist nicht das Fehlen von allem. Das Vakuum ist genau dort, wo sich dieses Feld in seinem niedrigsten Energiezustand befindet. Aber obwohl es sich in diesem Zustand mit der niedrigsten Energie befindet, obwohl es im Durchschnitt vielleicht nichts gibt. Nichts hindert es daran, nur Bloop Bloop Bloop, von dem Sie wissen, dass es herumblubbert.

Tatsächlich kocht das Vakuum mit diesen Feldern. Insbesondere das elektromagnetische Feld, von dem wir gerade sprechen.

Und wir wissen, dass Photonen, dieses Licht, sich in Teilchen-Antiteilchen-Paare verwandeln können. Es kann sich beispielsweise in ein Elektron und ein Positron verwandeln. Es kann einfach das tun. Es kann normalen Photonen passieren, und es kann solchen temporären wabbeligen Photonen passieren.

Manchmal kann sich also ein Photon oder manchmal das elektromagnetische Feld von einem Ort zum anderen ausbreiten, und wir nennen es ein Photon. Und dieses Photon kann sich in ein Positron und ein Elektron aufspalten, und manchmal kann es einfach wackeln und dann wackeln POP POP wackeln. Es springt in ein Positron und ein Elektron und dann krachen sie ineinander oder was auch immer, und sie köcheln einfach wieder nach unten. Wibble Wobble, Pop Pop, Fizz Fizz ist eine Art, was die ganze Zeit im Vakuum vor sich geht, und das ist der Name, den wir diesen virtuellen Partikeln geben. Es ist nur die normale Art von Hintergrundfussel oder Hintergrundstatik für das Vakuum.

Fraser:
Okay. Wie sehen wir also Beweise für virtuelle Partikel?

Paul:
Ja, tolle Frage. Wir wissen, dass mit dem Vakuum eine Energie verbunden ist. Wir wissen, dass diese virtuellen Partikel aus einigen Gründen immer wieder ein- und ausgehen.

Einer ist der Übergang des Elektrons in verschiedenen Zuständen des Atoms. Wenn Sie das Atom anregen, springt das Elektron in einen Zustand höherer Energie. Es gibt keinen Grund für dieses Elektron, in einen Zustand niedrigerer Energie zurückzukehren. Es ist schon da. Es ist eigentlich ein stabiler Zustand. Es gibt keinen Grund zu gehen, es sei denn, es gibt kleine Wackelbewegungen im elektromagnetischen Feld und es kann um dieses Elektron herum kichern und es aus diesem Zustand höherer Energie herauswerfen und es in einen niedrigeren Zustand bringen

Eine andere Sache heißt Lamb Shift, und dies ist, wenn das wabbelige elektromagnetische Feld oder die virtuellen Teilchen wieder mit Elektronen in beispielsweise einem Wasserstoffatom interagieren. Es kann sie sanft herumschubsen, und diese Verschiebung wirkt sich auf einige Zustände des Elektrons und nicht auf andere Zustände aus. Und es gibt tatsächlich Zustände, von denen Sie sagen würden, dass sie genau die gleichen Eigenschaften haben, sie sind nur irgendwie identisch, aber weil die Lammverschiebung aufgrund dieses wabbeligen elektromagnetischen Feldes mit einem dieser Zustände interagiert und nicht mit dem anderen, sondern tatsächlich Ändert auf subtile Weise die Energieniveaus dieser Zustände, obwohl Sie erwarten würden, dass sie völlig gleich sind.

Und ein weiterer Beweis ist die Photonenphotonenstreuung, bei der normalerweise zwei Photonen, phweeet, aneinander vorbeifliegen. Sie sind elektrisch neutral, haben also keinen Grund zur Wechselwirkung, aber manchmal können die Photonen in etwa Elektron / Positron-Paare wackeln, und dieses Elektron / Positron-Paar kann mit den anderen Photonen interagieren. So prallen sie manchmal voneinander ab. Es ist sehr selten, weil Sie warten müssen, bis das Wibble-Wackeln genau zum richtigen Zeitpunkt auftritt, aber es kann passieren.

Fraser:
Wie interagieren sie mit Schwarzen Löchern?

Paul:
Okay, das ist der Kern der Sache. Was haben all diese virtuellen Partikel oder wabbeligen elektromagnetischen Felder mit schwarzen Löchern und speziell mit Hawking-Strahlung zu tun? Aber probieren Sie es aus. Hawkings ursprüngliche Formulierung dieser Idee, dass Schwarze Löcher strahlen und Masse verlieren können, hat eigentlich nichts mit virtuellen Partikeln zu tun. Oder es geht nicht direkt um virtuelle Partikelpaare, und tatsächlich sprechen keine anderen Formulierungen oder moderneren Konzepte dieses Prozesses von virtuellen Partikelpaaren.

Stattdessen sprechen sie mehr über das Feld selbst und insbesondere darüber, was mit dem Feld passiert, bevor das Schwarze Loch da ist, was mit ihm passiert, wenn sich das Schwarze Loch bildet, und was dann mit dem Feld passiert, nachdem es sich gebildet hat. Und es stellt sich irgendwie die Frage: Was passiert mit diesen wabbeligen Teilen des Feldes, die wie eine vorübergehende Art des Siedens des Vakuums des elektromagnetischen Feldes aussehen? Was passiert damit, wenn sich dieses Schwarze Loch bildet?

Nun, was passiert ist, dass einige der wabbeligen Wibbeln in der Nähe des Schwarzen Lochs, in der Nähe des Ereignishorizonts, während es sich bildet, gefangen werden und dort eine lange Zeit verbringen und schließlich entkommen. Es dauert also eine Weile, aber wenn sie aufgrund der starken Krümmung dort, der intensiven Krümmung der Raumzeit, entkommen, können sie verstärkt oder gefördert werden. Anstatt vorübergehend wabbelig zu sein, werden sie im Feld zu „echten“ Teilchen oder „echten“ Photonen. Es ist also wirklich wie eine Wechselwirkung der Bildung des Schwarzen Lochs selbst mit dem wabbeligen Hintergrundfeld, das schließlich entweicht, weil es nicht ganz vom Schwarzen Loch gefangen wird.

Schließlich entweicht es und wird in echte Partikel umgewandelt, und Sie können berechnen, was mit der erwarteten Anzahl von Partikeln in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs passiert. Die Antwort ist die negative Zahl, was bedeutet, dass das Schwarze Loch Masse verliert und Partikel ausspuckt.

Jetzt entsteht diese beliebte Konzeption virtueller Teilchenpaare, die sich im Ereignishorizont verfangen. Das hängt nicht genau mit der Mathematik der Hawking-Strahlung zusammen, ist aber auch nicht genau falsch. Denken Sie daran, dass die wabbeligen Wabbel im elektromagnetischen Feld mit diesen Teilchen- und Antiteilchenpaaren zusammenhängen, die ständig ein- und ausgehen. Sie gehen irgendwie Hand in Hand. Wenn Sie also über Wibbly Wobblys auf dem Feld sprechen, sprechen Sie auch über die Produktion virtueller Partikel. Und es ist nicht genau die Mathematik, aber Sie wissen genau genug.

Fraser:
Okay und schließlich Paul. Sie müssen die Zuschauer nur zufällig umhauen. Etwas an virtuellen Partikeln, das einfach unglaublich ist!

Paul:
In Ordung. Sie möchten also die Gedanken der Menschen beugen? Gut. Ich habe das zum letzten Mal gespeichert. Etwas Saftiges, nur für dich, Fraser.

Schauen Sie sich das an, es ist ein weiterer wichtiger Beweis für die Existenz dieser Hintergrundschwankungen und die Existenz virtueller Partikel, und das nennen wir den Casimir-Effekt oder die Casimir-Kraft.

Sie nehmen zwei neutrale Metallplatten, und was passiert, ist dieses Feld, das die gesamte Raumzeit durchdringt, innerhalb der Platten und außerhalb der Platten. Innerhalb der Platten können Sie nur bestimmte Wellenlängen von Moden haben. Fast wie das Innere einer Trompete kann es nur bestimmte Modi geben, die Geräusche machen. Die Enden der Wellenlängen müssen mit den Platten verbunden sein, denn genau das tun Metallplatten mit elektromagnetischen Feldern.

Außerhalb der Platten können Sie jede gewünschte Wellenlänge haben. Es spielt keine Rolle.

Es bedeutet also, dass Sie außerhalb der Platten unendlich viele mögliche Wellenlängen von Moden haben. Es gibt jede Art von möglicher Fluktuation, Wibble Wabble im elektromagnetischen Feld, aber innerhalb der Platten können nur bestimmte Wellenlängen in die Platten passen.

Draußen gibt es unendlich viele Modi. Im Inneren gibt es immer noch unendlich viele Modi, nur etwas weniger unendlich viele Modi. Und Sie können die Unendlichkeit außen nehmen und die unendliche Unendlichkeit innen subtrahieren und tatsächlich eine endliche Zahl erhalten, und am Ende erhalten Sie einen Druck oder eine Kraft, die die Platten zusammenbringt. Und das haben wir tatsächlich gemessen. Dies ist eine echte Sache, und ja, ich mache keine Witze, Sie können Unendlichkeit minus eine andere Unendlichkeit nehmen und eine endliche Zahl erhalten. Es ist möglich. Ein Beispiel ist die Euler Mascheroni-Konstante. Ich wage dich, es nachzuschlagen!


Nun hoffe ich, dass Sie verstehen, was diese virtuellen Partikel sind, wie sie erkannt werden und wie sie zur Verdunstung eines Schwarzen Lochs beitragen.

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