أحيانًا أجد نقطة الضعف في مقالاتي بناءً على رسائل البريد الإلكتروني والتعليقات التي يتلقونها.
واحد مقال شعبي كان كل ما فعلناه يدور حول إدراك ستيفن هوكينج أن الثقوب السوداء يجب أن تتبخر على مدى فترات زمنية طويلة. تحدثنا عن الآلية ، وذكرنا كيف توجد هذه الجسيمات الافتراضية التي تظهر وتختفي من الوجود.
عادةً ما تدمر هذه الجسيمات نفسها ، ولكن على حافة أفق الحدث للثقب الأسود ، يسقط أحد الجسيمات ، بينما يكون الآخر حرًا في التجول في الكون. نظرًا لأنه لا يمكنك إنشاء جزيئات من لا شيء ، يحتاج الثقب الأسود إلى التضحية قليلاً من نفسه لشراء حرية هذا الجسيم المتشكل حديثًا.
لكن مقالتي القصيرة لم تكن كافية لتوضيح ماهية الجسيمات الافتراضية بالضبط. من الواضح أنكم جميعًا تريدون المزيد من المعلومات. ما هم؟ كيف يتم اكتشافهم؟ ماذا يعني هذا بالنسبة للثقوب السوداء؟
في مثل هذه المواقف ، عندما أعلم أن شرطة الفيزياء تشاهدها ، أود الاتصال بجرس. مرة أخرى ، سأعود وأتحدث إلى صديقي العزيز ، وعالم الفيزياء الفلكية العامل الفعلي ، الدكتور بول مات سوتر. وقد كتب أوراقًا حول موضوعات مثل التحليل البايزي للفجر الكوني ومحاكاة MHD للتدفقات المغناطيسية الخارجية. انه يعرف حقا له الاشياء.
فريزر كاين:
مرحبًا بول ، السؤال الأول: ما هي الجسيمات الافتراضية؟
بول مات سوتر:
على ما يرام. لا ضغط ، فريزر. حسنا حسنا.
للحصول على مفهوم الجسيمات الافتراضية ، عليك في الواقع أن تأخذ خطوة إلى الوراء وتفكر في المجال ، وخاصة المجال الكهرومغناطيسي. في نظرتنا الحالية لكيفية عمل الكون ، تمتلئ كل المساحة والزمان بهذا النوع من حقول الخلفية. وهذا المجال يمكن أن يتأرجح ويتأرجح ، وأحيانًا تكون هذه الاهتزازات مثل الموجات التي تنتشر إلى الأمام ، ونطلق على هذه الموجات فوتونات أو إشعاع كهرومغناطيسي ، ولكن في بعض الأحيان يمكن أن تجلس هناك وتعرف bloop bloop bloop ، فقط تعرف البوب يتلاشى للداخل والخارج ، أو لأعلى ولأسفل ، ونوع من الغليان قليلاً من تلقاء نفسه.
في الواقع ، كل الفضاء الزمني هو نوع من التذبذب / التذبذب حول هذا المجال حتى في الفراغ. الفراغ ليس هو غياب كل شيء. الفراغ هو المكان الذي يكون فيه هذا المجال في أدنى حالة طاقة له. ولكن على الرغم من أنها في أدنى حالة طاقة ، على الرغم من أنه ربما لا يوجد شيء هناك في المتوسط. ليس هناك ما يمنعها من مجرد bloop bloop bloop تعلمون أنها تتفجر حولها.
الائتمان: NASA، ESA، Q.D. وانغ (جامعة ماساتشوستس ، أمهيرست) ، وس. ستولوفي (معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا)
لذلك في الواقع الفراغ نوع من الغليان مع هذه الحقول. على وجه الخصوص المجال الكهرومغناطيسي وهو ما نتحدث عنه الآن.
ونعلم أن الفوتونات ، ذلك الضوء ، يمكن أن تتحول إلى جسيمات ، أزواج مضادة للجسيمات. يمكن أن يتحول إلى إلكترون وبوزيترون. يمكن أن تفعل هذا فقط. يمكن أن يحدث للفوتونات العادية ، ويمكن أن يحدث لهذا النوع من الفوتونات المتذبذبة المؤقتة.
لذلك في بعض الأحيان يمكن للفوتون أو في بعض الأحيان أن ينتشر المجال الكهرومغناطيسي من مكان إلى آخر ، ونطلق عليه اسم الفوتون. ويمكن أن ينقسم هذا الفوتون إلى بوزيترون وإلكترون ، وفي أحيان أخرى يمكن أن يتذبذب نوعًا ما في مكانه ثم يتمايل POP POP. ينبثق في البوزيترون والإلكترون ثم يصطدمان ببعضهما البعض أو أيا كان ، ثم ينضجان لأسفل. لذا ، فإن wibble wobble ، pop pop ، fizz هو نوع من ما يحدث في الفراغ طوال الوقت ، وهذا الاسم الذي نطلقه على هذه الجسيمات الافتراضية هو مجرد نوع عادي من ضباب الخلفية أو الخلفية الثابتة للفراغ.
فريزر:
تمام. فكيف نرى الدليل على الجسيمات الافتراضية؟
بول:
نعم ، سؤال رائع. نعلم أن للفراغ طاقة مرتبطة به. نحن نعلم أن هذه الجسيمات الافتراضية تتلاشى دائمًا وتختفي من الوجود لعدة أسباب.
الأول هو انتقال الإلكترون في حالات مختلفة من الذرة. إذا قمت بإثارة الذرة ، فإن الإلكترون ينبثق إلى حالة طاقة أعلى. لا يوجد نوع من الأسباب لعودة هذا الإلكترون إلى حالة طاقة أقل. إنه موجود بالفعل. إنها في الواقع حالة مستقرة. لا يوجد سبب لمغادرته ما لم يكن هناك تذبذب بسيط في المجال الكهرومغناطيسي ويمكنه الضحك حول هذا الإلكترون وإخراجه من حالة الطاقة الأعلى هذه وإرساله إلى حالة أقل
شيء آخر يسمى Lamb Shift ، وهذا يحدث عندما يتفاعل المجال الكهرومغناطيسي المتذبذب أو الجسيمات الافتراضية مرة أخرى مع الإلكترونات في ذرة الهيدروجين. يمكن أن يدفعهم بلطف حولهم ، وهذا التحول يؤثر على بعض حالات الإلكترون وليس الحالات الأخرى. وفي الواقع ، هناك حالات يمكنك القول أن لها نفس خصائص الطاقة ، فهي متطابقة نوعًا ما ، ولكن نظرًا لأن Lamb Shift ، بسبب هذا المجال الكهرومغناطيسي المتذبذب المتذبذب يتفاعل مع إحدى هاتين الحالتين وليس الأخرى ، فهو في الواقع يغير بمهارة مستويات الطاقة لتلك الحالات على الرغم من أنك تتوقع أن تكون متماثلة تمامًا.
وهناك دليل آخر موجود في تشتت الفوتون عادةً بفوتونين فقط ، phweeet ، يطير أحدهما الآخر. إنها محايدة كهربائيًا ، لذلك ليس لديهم سبب للتفاعل ، ولكن في بعض الأحيان يمكن للفوتونات أن تتمايل في أزواج الإلكترون / البوزيترون ، ويمكن أن يتفاعل زوج الإلكترون / البوزيترون مع الفوتونات الأخرى. لذلك في بعض الأحيان يرتدون بعضهم البعض. إنه أمر نادر للغاية لأنه عليك الانتظار حتى يحدث التذبذب في الوقت المناسب تمامًا ، ولكن يمكن أن يحدث.
الائتمان: ناسا / دانا بيري / SkyWorks Digital
فريزر:
إذن كيف يتفاعلون مع الثقوب السوداء؟
بول:
حسنًا ، هذا هو لب الموضوع. ما علاقة كل هذه الجسيمات الافتراضية أو الحقول الكهرومغناطيسية المتذبذبة بالثقوب السوداء ، وتحديداً إشعاع هوكينغ؟ لكن تحقق من ذلك. إن الصيغة الأصلية لهوكينغز لهذه الفكرة القائلة بأن الثقوب السوداء يمكن أن تشع وتفقد كتلتها لا علاقة لها في الواقع بالجسيمات الافتراضية. أو أنها لا تتحدث مباشرة عن أزواج الجسيمات الافتراضية ، وفي الواقع لا توجد صيغ أخرى أو مفاهيم أكثر حداثة لهذه العملية تتحدث عن أزواج الجسيمات الافتراضية.
بدلاً من ذلك ، يتحدثون أكثر عن المجال نفسه وتحديدًا ما يحدث للحقل قبل وجود الثقب الأسود هناك ، وما يحدث له عندما يتشكل الثقب الأسود ، ثم ماذا يحدث للحقل بعد تشكله. وهو نوع من يطرح سؤالاً: ماذا يحدث لهذه الأجزاء المتذبذبة من المجال ، مثل نوع عابر من غليان الفراغ في المجال الكهرومغناطيسي؟ ماذا يحدث لها عندما يتشكل هذا الثقب الأسود؟
حسنًا ، ما يحدث هو أن بعض البتات المتذبذبة يتم التقاطها بالقرب من الثقب الأسود ، بالقرب من أفق الحدث أثناء تكوّنه ، ويقضون وقتًا طويلاً هناك ، وفي النهاية يهربون. لذلك يستغرق الأمر بعض الوقت ، ولكن عندما يهربون بسبب الانحناء الشديد هناك ، والانحناء الشديد للزمكان ، يمكن تعزيزهم أو ترقيتهم. لذا فبدلاً من أن تكون متذبذبة بشكل مؤقت ، يتم تعزيزها في المجال لتصبح جسيمات 'حقيقية' أو فوتونات 'حقيقية'. لذلك فهو يشبه تفاعل تكوين الثقب الأسود نفسه مع حقل الخلفية المتذبذب ، والذي يفلت في النهاية لأنه ليس محاصرًا تمامًا بواسطة الثقب الأسود.
في النهاية يهرب ويتحول إلى جسيمات حقيقية ، ويمكنك حساب مثل ما يحدث بقول العدد المتوقع من الجسيمات بالقرب من أفق الحدث للثقب الأسود. الإجابة هي الرقم السالب ، مما يعني أن الثقب الأسود يفقد كتلته ويطلق جزيئات.
الآن ظهر هذا المفهوم الشائع لأزواج الجسيمات الافتراضية إلى الوجود ووقع أحدهم داخل أفق الحدث. هذا ليس مرتبطًا بالرياضيات الخاصة بإشعاع هوكينغ ولكنه ليس خاطئًا تمامًا أيضًا. تذكر أن wibbly wobbly في المجال الكهرومغناطيسي مرتبطة بهذه الأزواج من الجسيمات والجسيمات المضادة التي تظهر باستمرار وتختفي من الوجود. هم نوع من يسيران جنبا إلى جنب. لذا من خلال الحديث عن wibbly wobbly في المجال ، فأنت تتحدث أيضًا عن إنتاج جسيمات افتراضية. وهي ليست الرياضيات بالضبط ، لكنك تعرف ما يكفي من القرب.
تصور الفنان لنفاثات الثقب الأسود فائقة الكتلة. حقوق الصورة: NASA / Dana Berry / SkyWorks Digital
فريزر:
حسنًا ، وأخيراً بول. أريدك أن تفجر عقول المشاهدين بشكل عشوائي. شيء مذهل عن الجسيمات الافتراضية!
بول:
على ما يرام. هل تريد ثني عقول الناس؟ حسنا. كنت احفظ هذا لآخر. شيء مثير ، فقط لأجلك يا فريزر.
تحقق من ذلك ، إنه دليل كبير آخر لدينا على وجود هذه التقلبات في الخلفية ووجود جسيمات افتراضية ، وهذا شيء نسميه تأثير كازيمير ، أو قوة كازيمير.
تأخذ لوحين معدنيين محايدين ، وما يحدث هو أن هذا المجال الذي يتخلل كل الفضاء والزمان يوجد داخل الصفائح ويوجد خارج الصفائح. داخل اللوحات ، يمكنك فقط الحصول على أطوال موجية معينة من الأوضاع. تقريبًا مثل داخل البوق ، لا يمكن إلا أن يكون له أوضاع معينة تصدر الصوت. يجب أن تتصل نهايات الأطوال الموجية باللوحات ، لأن هذا ما تفعله الصفائح المعدنية بالمجالات الكهرومغناطيسية.
خارج اللوحات يمكن أن يكون لديك أي طول موجي تريده. لا يهم.
هذا يعني أنه خارج الصفائح لديك عدد لا حصر له من الأطوال الموجية الممكنة للأنماط. كل نوع من أنواع التقلبات الممكنة ، التذبذب في المجال الكهرومغناطيسي موجود ، لكن داخل الصفائح توجد أطوال موجية معينة فقط يمكن أن تتسع داخل الصفائح.
الآن ، يوجد خارج عدد لا حصر له من الأوضاع. في الداخل ، لا يزال هناك عدد لا حصر له من الأوضاع ، فقط عدد لا حصر له من الأوضاع. ويمكنك أن تأخذ اللانهاية من الخارج ، وتطرح اللانهاية اللانهائية من الداخل ، وتحصل بالفعل على عدد محدود ، وما ينتهي بك الأمر هو ضغط أو قوة تجمع اللوحين معًا. وقد قمنا بالفعل بقياس هذا. هذا شيء حقيقي ، ونعم ، أنا لا أمزح ، يمكنك أن تأخذ ما لا نهاية مطروحًا منه لانهائية مختلفة ، وتحصل على عدد محدود. انه ممكن. أحد الأمثلة هو ثابت أويلر ماسكيروني. أتحداك أن تبحث عنه!
إذن ها أنت ذا ، آمل الآن أن تفهم ماهية هذه الجسيمات الافتراضية ، وكيف يتم اكتشافها ، وكيف تساهم في تبخر الثقب الأسود.
وإذا لم تكن قد فعلت ذلك بالفعل ، فتأكد من ذلك انقر هنا وانتقل إلى قناته. ستجد العشرات من مقاطع الفيديو تجيب بنفس القدر على أسئلة محيرة للعقل. في الواقع ، أرسل أسئلتك وقد يصنع فيديو ويجيب عليها.
بودكاست (صوتي): تحميل (المدة: 12:26 - 4.8 ميجا بايت)
الإشتراك: آبل بودكاست | RSS
بودكاست (فيديو): تحميل (المدة: 12:29 - 205.6 ميجا بايت)
الإشتراك: آبل بودكاست | RSS