Sanal parçacıklar olarak bilinen akıllı bir matematiksel araç, atom altı parçacıkların garip ve gizemli iç işleyişinin kilidini açar. Atomlar içindeki bu parçacıklara ne olacağı bu araç olmadan açıklanamaz. Sanal parçacıklar kullanan hesaplamalar, bazı bilim adamları “gerçekten var olmaları gerektiğini” düşündüğü tuhaf bir doğrulukla atom altı parçacıkların tuhaf davranışını öngörüyor.
Sanal parçacıklar gerçek değildir – onların adına çok doğru söyler – ancak gerçek parçacıkların birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini anlamak istiyorsanız, kaçınılmazdır. Doğada bulunan üç kuvveti tanımlamak için temel araçlardır: elektromanyetizma ve güçlü ve zayıf nükleer kuvvetler.
Gerçek parçacıklar, “görülebilen” veya uygun enstrümanlar tarafından tespit edilebilen enerji topaklarıdır; Bu özellik onları gözlemlenebilir veya gerçek yapan şeydir. Sanal parçacıklar ise sofistike bir matematiksel araçtır ve görülemez. Fizikçi Richard Feynman onları gerçek parçacıklar arasındaki etkileşimleri tanımlamak için icat etti.
Ancak birçok fizikçi bu kesik ve kurutulmuş ayrımdan ikna olmaz. Araştırmacılar bu sanal parçacıkları tespit edemese de, hesaplama araçları olarak, ultrasensitif deneylerin zihin yakışan 12 ondalık basamağa doğrulandığı birçok ince etkiyi öngörüyorlar. Bu hassasiyet, kuzey ve güney kutupları arasındaki mesafeyi tek bir saçın genişliğinden daha iyi ölçmek gibidir.
Ölçümler ve hesaplamalar arasındaki bu anlaşma seviyesi, sanal parçacıkları bilimde en iyi incelenen fikir haline getirir. Bazı fizikçileri sormaya zorlar: Matematiksel bir araç gerçek olabilir mi?
Bir defter tutma aracı
Sanal parçacıklar, fizikçilerin mikroskobik subombatom dünyasında kuvvetlerin nasıl çalıştığını hesaplamak için kullandıkları araçtır. Kuvvetler gerçektir çünkü ölçülebilirler.
Ancak fizikçiler, kuvvetleri doğrudan hesaplamaya çalışmak yerine, kısa ömürlü sanal parçacıkların kuvveti taşıdığı bir defter tutma sistemi kullanırlar. Sanal parçacıklar sadece hesaplamaları daha yönetilebilir hale getirmekle kalmaz, aynı zamanda fizikte uzun süredir devam eden bir sorunu da çözerler: Bir kuvvet boş alanda nasıl hareket eder?
Sanal parçacıklar, eğer bu geçici parçacıkların yeterince kısaca yaşadığı, enerjilerini boş alandan kısaca ödünç alabilecekleri, atom altı dünyanın doğal bulanıklığını kullanırlar. Enerji dengesinin tehlikesi, sanal parçacıkların gerçek dünyayı etkilemesini sağlayan bu kısa dengesizliği gizler.
Bu aracın büyük bir avantajı, parçacıklar arasındaki kuvvetleri tanımlayan matematiksel işlemlerin diyagram olarak görüntülenebilmesidir. Sanal parçacıklarla oynanan parçacık pingpong’un yapışkan karikatürleri gibi görünme eğilimindedirler. Feynman diyagramları olarak adlandırılan diyagramlar mükemmel bir sezgisel çerçeve sunar, ancak aynı zamanda sanal parçacıklara aldatıcı bir gerçeklik havası verir.
Şaşırtıcı bir şekilde, hesaplama için bu sanal parçacık temelli yöntem, tüm bilimdeki en kesin tahminlerden bazılarını üretir.
Gerçeklik Kontrolü
Tüm maddeler atom olarak adlandırılan temel yapı taşlarından yapılmıştır. Atomlar, sırayla, çekirdeğinde bulunan, elektron adı verilen daha küçük negatif yüklü parçacıklarla bile çevrili protonlar adı verilen küçük pozitif yüklü parçacıklardan yapılmıştır.
Mississippi Eyalet Üniversitesi’nde fizik ve astronomi profesörü olarak, enstrümanlarımızda görülen elektronların ve protonların sanal parçacıkları değiştirerek etkileşime girdiği fikrine dayanan deneyler yapıyorum. Meslektaşlarım ve ben son zamanlarda hidrojen atomlarını bir elektron ışını ile bombalayarak protonun büyüklüğünü çok kesin olarak ölçtük. Bu ölçüm, elektronların sanal fotonları değiştirerek hidrojen atomunun merkezindeki protonu “hissedebileceğini” varsayar: elektromanyetik enerji parçacıkları.
Fizikçiler, iki elektronun birbirini nasıl ittiğini hesaplamak için sanal parçacıklar kullanırlar. İlgili kuvvetler, iki elektron ticareti sanal fotonunun birikmiş etkisi olarak temsil edilmektedir.
İki metal plaka bir boşlukta son derece birbirine yakın yerleştirildiğinde, birbirlerini çekerler: bu, Casimir efekti olarak bilinir. Fizikçiler, sanal parçacık matematiğini kullanarak plakaları birlikte çeken kuvveti doğru bir şekilde hesaplayabilir. Sanal parçacıklar gerçekten orada olsun ya da olmasın, matematik araştırmacıların gerçek dünyada neyi gözlemlediğini tam olarak tahmin eder.
Sanal Parçacık Takım Kiti kullanılarak yapılan bir başka gizemli tahmin, hawking radyasyonudur. Sanal parçacık çiftleri kara deliklerin kenarında varlığında ortaya çıktığında, bazen kara deliğin yerçekimi bir ortağı alırken, diğeri kaçar. Bu yarık kara deliğin yavaşça buharlaşmasına neden olur. Hawking radyasyonu henüz doğrudan gözlemlenmemiş olsa da, araştırmacılar son zamanlarda dolaylı olarak gözlemlediler.
Yararlı kurgu
Soruya geri dönelim: Matematiksel bir araç gerçek olabilir mi? Sanal parçacıklar tarafından taşındığını hayal ederek bir güçle ilgili her şeyi mükemmel bir şekilde tahmin edebiliyorsanız, bu parçacıklar gerçek olarak nitelendiriliyor mu? Kurgusal statüleri önemli mi?
Fizikçiler bu sorulara bölünmüş durumda. Bazıları Feynman’ın ünlü quips’inden biri olan “sadece kapatıp hesaplamayı” tercih ediyor. Şimdilik, sanal parçacıklar parçacıkların nasıl davrandığını tanımlamanın en iyi yoludur. Ancak araştırmacılar, onlara hiç ihtiyaç duymayan alternatif yöntemler geliştiriyorlar.
Başarılı olursa, bu yaklaşımlar sanal parçacıkların iyilik için yok olmasını sağlayabilir. Başarılı ya da değil, alternatiflerin var olması, sanal parçacıkların fiziksel gerçekten ziyade yararlı kurgu olabileceğini düşündürmektedir. Aynı zamanda bilimdeki önceki devrimlerin modeline uyuyor – eter örneği akla geliyor. Fizikçiler Ether’i ışık dalgalarının seyahat ettiği bir ortam olarak icat ettiler. Deneyler bu aracı kullanarak hesaplamalarla iyi eşleşti, ancak aslında onu tespit edemediler. Sonunda, Einstein’ın görelilik teorisi bunun gereksiz olduğunu gösterdi.
Sanal parçacıklar, modern fiziğin çarpıcı bir paradoksudur. Var olmamalılar, ancak mıknatısların gücünden kara deliklerin davranışına kadar her şeyi hesaplamak için vazgeçilmezler. Derin bir ikilemi temsil ederler: Bazen gerçeğe ilişkin en iyi anlayışlar dikkatle inşa edilmiş yanılsamadan gelir. Sonunda, sanal parçacıklar etrafındaki karışıklık sadece temel güçleri anlamanın bedeli olabilir.
