Soms ontdek ik de zwakke plek in mijn artikelen op basis van de e-mails en opmerkingen die ze ontvangen.
Een populair artikel dat we deden, ging helemaal over het besef van Stephen Hawking dat zwarte gaten gedurende lange tijd moeten verdampen. We spraken over het mechanisme en vermeldden hoe deze virtuele deeltjes in en uit het bestaan springen.
Normaal vernietigen deze deeltjes zichzelf, maar aan de rand van de horizon van een zwart gat valt het ene deeltje naar binnen, terwijl het andere vrij is om door de kosmos te dwalen. Aangezien je geen deeltjes uit het niets kunt maken, moet het zwarte gat een klein beetje van zichzelf opofferen om de vrijheid van dit nieuw gevormde deeltje te kopen.
Maar mijn korte artikel was niet genoeg om precies te verduidelijken wat virtuele deeltjes zijn. Jullie wilden duidelijk allemaal meer informatie. Wat zijn zij? Hoe worden ze gedetecteerd? Wat betekent dit voor zwarte gaten?
In situaties als deze, als ik weet dat de fysica-politie meekijkt, bel ik graag. Nogmaals, ik ga terug om te praten met mijn goede vriend en de echte werkende astrofysicus, Dr. Paul Matt Sutter. Hij heeft artikelen geschreven over onderwerpen als de Bayesiaanse analyse van kosmische dageraad en MHD-simulaties van magnetische uitstromen. Hij kent zijn spullen echt.
Fraser Cain:
Hey Paul, eerste vraag: wat zijn virtuele deeltjes?
Paul Matt Sutter:
Ok. Geen druk, Fraser. Oke oke.
Om het concept van virtuele deeltjes te krijgen, moet je eigenlijk een stap terug doen en nadenken over het veld, vooral het elektromagnetische veld. In onze huidige kijk op hoe het universum werkt, is alle ruimte en tijd gevuld met dit soort achtergrondvelden. En dit veld kan heen en weer wabbelen, en soms zijn deze wiebels en watjes als golven die zich voortplanten, en we noemen deze golven fotonen of elektromagnetische straling, maar soms kan het daar gewoon zitten en je weet bloop bloop bloop, gewoon je weet pop bruis in en uit, of op en neer, en kook een beetje alleen.
In feite is de hele tijd een soort van waggelen / waggelen rond dit veld, zelfs in een vacuüm. Een vacuüm is niet de afwezigheid van alles. Het vacuüm is precies waar dit veld zich in de laagste energietoestand bevindt. Maar ook al bevindt het zich in die laagste energietoestand, ook al is er misschien gemiddeld niets. Er is niets dat het tegenhoudt van gewoon bloop bloop bloop, weet je, borrelt rond.
Dus eigenlijk kookt het vacuüm met deze velden. Vooral het elektromagnetische veld waar we het nu over hebben.
En we weten dat fotonen, dat licht, kunnen veranderen in deeltjes, anti-deeltjesparen. Het kan bijvoorbeeld een elektron en een positron worden. Het kan dit gewoon doen. Het kan gebeuren met normale fotonen, en het kan gebeuren met dit soort tijdelijke wiebelende wankele fotonen.
Dus soms kan een foton of soms het elektromagnetische veld zich van de ene plaats naar de andere voortplanten, en we noemen het een foton. En dat foton kan opsplitsen in een positron en een elektron, en op andere momenten kan het wiebelen als het ware op zijn plaats wiebelen en dan wiebelen met POP POP. Het springt in een positron en een elektron en dan botsen ze tegen elkaar of wat dan ook, en ze sudderen gewoon weer naar beneden. Dus, wiebelen wiebelen, pop pop, bruis bruisen is een soort van wat er de hele tijd in het vacuüm gebeurt, en dat is de naam die we deze virtuele deeltjes geven, is gewoon het normale soort achtergrondfuzz of achtergrond die statisch is voor het vacuüm.
Fraser:
Oke. Dus hoe zien we bewijs voor virtuele deeltjes?
Paul:
Ja, goede vraag. We weten dat aan het vacuüm een energie is gekoppeld. We weten dat deze virtuele deeltjes om een paar redenen altijd bruisen in en uit het bestaan.
Een daarvan is de overgang van het elektron in verschillende toestanden van het atoom. Als je het atoom prikkelt, springt het elektron naar een hogere energietoestand. Er is geen enkele reden voor dat elektron om terug te springen naar een lagere energietoestand. Het is er al. Het is eigenlijk een stabiele toestand. Er is geen reden voor om te vertrekken tenzij er kleine wiebels in het elektromagnetische veld zijn en het kan rond dat elektron giechelen en het uit die hogere energietoestand slaan en het naar een lagere staat laten crashen
Een ander ding wordt de lamverschuiving genoemd, en dit is wanneer het wiebelende, wiebelende elektromagnetische veld of de virtuele deeltjes weer interactie aangaan met elektronen in bijvoorbeeld een waterstofatoom. Het kan ze voorzichtig rondduwen, en deze verschuiving heeft invloed op sommige toestanden van het elektron en niet op andere toestanden. En er zijn eigenlijk staten waarvan je zou zeggen dat ze exact dezelfde zeg-energie-eigenschappen hebben, ze zijn gewoon een beetje identiek, maar omdat de lamverschuiving, vanwege dit wiebelende, wiebelende elektromagnetische veld in wisselwerking staat met een van die staten en niet met de andere, is het eigenlijk verandert subtiel de energieniveaus van die staten, ook al zou je verwachten dat ze volledig hetzelfde zijn.
En een ander bewijs is dat fotonfotonen verstrooid worden, meestal vliegen twee fotonen gewoon, phweeet, langs elkaar. Ze zijn elektrisch neutraal, dus ze hebben geen reden tot interactie, maar soms kunnen de fotonen wiebelen in bijvoorbeeld elektron / positronparen, en dat elektron / positronpaar kan interageren met de andere fotonen. Dus soms stuiteren ze tegen elkaar. Het is super zeldzaam omdat je moet wachten tot de wibbel op het juiste moment gebeurt, maar het kan gebeuren.
Fraser:
Dus hoe gaan ze om met zwarte gaten?
Paul:
Oké, dit is de kern van de zaak. Wat hebben al deze virtuele deeltjes of wiebelende wiebelige elektromagnetische velden te maken met zwarte gaten, en specifiek Hawking-straling? Maar bekijk dit eens. Hawkings originele formulering van dit idee dat zwarte gaten kunnen stralen en massa verliezen, heeft eigenlijk niets te maken met virtuele deeltjes. Of het spreekt niet rechtstreeks over virtuele deeltjesparen, en in feite spreken geen andere formuleringen of modernere opvattingen over dit proces over virtuele deeltjesparen.
In plaats daarvan praten ze meer over het veld zelf en specifiek over wat er met het veld gebeurt voordat het zwarte gat er is, wat er met het gebeurt terwijl het zwarte gat zich vormt, en wat er daarna met het veld gebeurt nadat het is gevormd. En het stelt een soort vraag: wat gebeurt er met deze wiebelende wiebelige stukjes van het veld, deze houden van een voorbijgaande aard van het vacuüm van het elektromagnetische veld? Wat gebeurt ermee als dat zwarte gat zich vormt?
Wat er gebeurt, is dat sommige van de wiebelende wiebelende stukjes gewoon worden gepakt in de buurt van het zwarte gat, vlakbij de horizon van het evenement terwijl het zich vormt, en ze brengen daar een lange tijd door, en uiteindelijk ontsnappen ze. Het duurt dus een tijdje, maar als ze ontsnappen vanwege de intense kromming daar, de intense kromming van de ruimtetijd, kunnen ze worden gestimuleerd of gepromoot. Dus in plaats van tijdelijk wiebelig te zijn, worden ze in het veld gestimuleerd om "echte" deeltjes of "echte" fotonen te worden. Het is dus echt een interactie van de vorming van het zwarte gat zelf met het wiebelende, wiebelende achtergrondveld, dat uiteindelijk ontsnapt omdat het niet helemaal gevangen zit in het zwarte gat.
Uiteindelijk ontsnapt het en wordt het omgezet in echte deeltjes, en je kunt berekenen wat er gebeurt met bijvoorbeeld het verwachte aantal deeltjes nabij de gebeurtenishorizon van het zwarte gat. Het antwoord is het negatieve getal, wat betekent dat het zwarte gat massa verliest en deeltjes uitspuugt.
Nu komt deze populaire opvatting van virtuele deeltjesparen tot leven en wordt er een gevangen in de horizon van het evenement. Dat is niet bepaald gebonden aan de wiskunde van Hawking-straling, maar het is ook niet helemaal verkeerd. Onthoud dat de wiebelende wiebels in het elektromagnetische veld gerelateerd zijn aan deze paren deeltjes en anti-deeltjes die constant in en uit het bestaan springen. Ze gaan min of meer hand in hand. Dus door te praten over wiebelende wiebels in het veld, heb je het ook over de productie van virtuele deeltjes. En het is niet precies de wiskunde, maar je weet het dichtbij genoeg.
Fraser:
Oké, en tot slot Paul. Ik wil dat je de kijkers willekeurig omver blaast. Iets over virtuele deeltjes dat gewoon geweldig is!
Paul:
Ok. Dus je wilt de geest van mensen buigen? Okee. Ik bewaarde dit voor het laatst. Iets sappigs, speciaal voor jou, Fraser.
Bekijk dit eens, het is een ander groot bewijs dat we hebben voor het bestaan van deze achtergrondfluctuaties en het bestaan van virtuele deeltjes, en dat noemen we het Casimir Effect of Casimir Force.
Je neemt twee neutrale metalen platen, en wat er gebeurt is dit veld dat de hele tijd in de ruimte doordringt, zit in de platen en is buiten de platen. Binnenin de platen kun je alleen bepaalde golflengten van modi hebben. Bijna zoals de binnenkant van een trompet alleen bepaalde modi kan hebben die geluid maken. De uiteinden van de golflengten moeten aansluiten op de platen, want dat is wat metalen platen doen met elektromagnetische velden.
Buiten de platen kunt u elke gewenste golflengte hebben. Het maakt niet uit.
Het betekent dus dat je buiten de platen een oneindig aantal mogelijke golflengten van modi hebt. Elke vorm van fluctuatie, schommelingen in het elektromagnetische veld is aanwezig, maar binnen de platen zijn het slechts bepaalde golflengten die in de platen passen.
Buiten zijn er oneindig veel modi. Binnenin is er nog steeds een oneindig aantal modi, net iets minder oneindig aantal modi. En je kunt de oneindigheid aan de buitenkant nemen en de oneindige oneindigheid aan de binnenkant aftrekken, en eigenlijk een eindig getal krijgen, en wat je uiteindelijk krijgt is een druk of een kracht die de platen bij elkaar brengt. En we hebben dit daadwerkelijk gemeten. Dit is echt, en ja, ik maak geen grapje, je kunt oneindig minus een andere oneindigheid nemen en een eindig getal krijgen. Het is mogelijk. Een voorbeeld is de Euler Mascheroni Constant. Ik daag je uit om het op te zoeken!
Dus alsjeblieft, nu hoop ik dat je begrijpt wat deze virtuele deeltjes zijn, hoe ze worden gedetecteerd en hoe ze bijdragen aan de verdamping van een zwart gat.
En als je dat nog niet hebt gedaan, klik dan hier en ga naar zijn kanaal. Je zult tientallen video's vinden die even breinbrekende vragen beantwoorden. Sterker nog, stuur uw vragen en hij maakt misschien gewoon een video en beantwoordt ze.
Podcast (audio): downloaden (duur: 12:26 - 4.8 MB)
Abonneren: Apple Podcasts | Android | RSS
Podcast (video): downloaden (duur: 12:29 - 205.6MB)
Abonneren: Apple Podcasts | Android | RSS
