A volte scopro il punto debole dei miei articoli in base alle e-mail e ai commenti che ricevono.
Uno articolo popolare ciò che abbiamo fatto riguardava la realizzazione di Stephen Hawking che i buchi neri devono evaporare per lunghi periodi di tempo. Abbiamo parlato del meccanismo e menzionato come ci siano queste particelle virtuali che entrano ed escono dall'esistenza.
Normalmente queste particelle si auto annichilano, ma ai margini dell'orizzonte degli eventi di un buco nero, una particella cade, mentre un'altra è libera di vagare per il cosmo. Dal momento che non puoi creare particelle dal nulla, il buco nero deve sacrificare un po' di se stesso per acquistare la libertà di questa particella appena formata.
Ma il mio breve articolo non è stato sufficiente per chiarire esattamente cosa sono le particelle virtuali. Chiaramente, volevate tutti più informazioni. Quali sono? Come vengono rilevati? Cosa significa questo per i buchi neri?
In situazioni come questa, quando so che la vera Polizia di Fisica sta guardando, mi piace chiamare una suoneria. Ancora una volta, tornerò indietro e parlerò con il mio buon amico e vero astrofisico che lavora, il dottor Paul Matt Sutter. Ha scritto articoli su argomenti come l'analisi bayesiana dell'alba cosmica e le simulazioni MHD dei flussi magnetici. Lui sa davvero il fatto suo.
Fraser Caino:
Ehi Paul, prima domanda: cosa sono le particelle virtuali?
Paul Matt Sutter:
Bene. Nessuna pressione, Fraser. Ok ok.
Per ottenere il concetto di particelle virtuali devi effettivamente fare un passo indietro e pensare al campo, in particolare al campo elettromagnetico. Nella nostra visione attuale di come funziona l'universo, tutto lo spazio e il tempo sono riempiti con questo tipo di campo di fondo. E questo campo può oscillare e oscillare intorno, e a volte queste oscillazioni e oscillazioni sono come onde che si propagano in avanti, e chiamiamo queste onde fotoni o radiazioni elettromagnetiche, ma a volte può semplicemente stare lì e sai bloop bloop bloop, solo che sai pop sfrigola dentro e fuori, o su e giù, e fa bollire un po' tutto da solo.
In effetti, tutto lo spazio temporale è una specie di gorgogliamento intorno a questo campo anche nel vuoto. Il vuoto non è l'assenza di tutto. Il vuoto è proprio dove questo campo è nel suo stato energetico più basso. Ma anche se è in quello stato di energia più bassa, anche se forse in media non c'è niente lì. Non c'è niente che lo fermi dal semplice bloop bloop bloop che sai gorgogliare in giro.
Credito: NASA, ESA, Q.D. Wang (Università del Massachusetts, Amherst) e S. Stolovy (Caltech)
Quindi in realtà il vuoto sta ribollendo con questi campi. In particolare il campo elettromagnetico di cui stiamo parlando in questo momento.
E sappiamo che i fotoni, quella luce, possono trasformarsi in coppie di particelle e antiparticelle. Può trasformarsi in, diciamo, un elettrone e un positrone. Può solo fare questo. Può succedere ai fotoni normali e può succedere a questo tipo di fotoni traballanti temporanei.
Quindi a volte un fotone oa volte il campo elettromagnetico può propagarsi da un luogo all'altro e lo chiamiamo fotone. E quel fotone può dividersi in un positrone e un elettrone, e altre volte può semplicemente oscillare oscillare sul posto e poi oscillare oscillare POP POP. Si inserisce in un positrone e in un elettrone e poi si scontrano l'uno con l'altro o altro, e si riaccendono a fuoco lento. Quindi, wibble wobble, pop pop, fizz fizz è una specie di ciò che accade nel vuoto tutto il tempo, e questo è il nome che diamo a queste particelle virtuali sono solo il normale tipo di fuzz di sfondo o statico di sfondo al vuoto.
Fraser:
Va bene. Quindi, come vediamo le prove per le particelle virtuali?
Paolo:
Sì, ottima domanda. Sappiamo che al vuoto è associata un'energia. Sappiamo che queste particelle virtuali sono sempre frizzanti dentro e fuori dall'esistenza per alcuni motivi.
Uno è la transizione dell'elettrone nei diversi stati dell'atomo. Se ecciti l'atomo, l'elettrone si sposta in uno stato energetico più elevato. Non c'è alcun motivo per cui quell'elettrone ritorni a uno stato di energia inferiore. È già lì. In realtà è uno stato stabile. Non c'è motivo per cui se ne vada a meno che non ci siano piccole oscillazioni nel campo elettromagnetico e possa ridacchiare attorno a quell'elettrone e buttarlo fuori da quello stato di energia superiore e mandarlo a schiantarsi in uno stato inferiore
Un'altra cosa è chiamata Lamb Shift, e questo è quando il campo elettromagnetico traballante o le particelle virtuali interagiscono di nuovo con gli elettroni, diciamo un atomo di idrogeno. Può spingerli delicatamente in giro, e questo spostamento ha effetto su alcuni stati dell'elettrone e non su altri stati. E in realtà ci sono stati che diresti che hanno le stesse identiche proprietà energetiche, sono semplicemente identici, ma poiché il Lamb Shift, a causa di questo campo elettromagnetico oscillante, interagisce con uno di quegli stati e non con l'altro, in realtà cambia sottilmente i livelli di energia di quegli stati anche se ti aspetteresti che siano completamente gli stessi.
E un'altra prova è nella diffusione di fotoni di fotoni di solito due fotoni, phweeet, volano l'uno accanto all'altro. Sono elettricamente neutri, quindi non hanno motivo di interagire, ma a volte i fotoni possono oscillare in coppie di elettroni/positroni, e quella coppia di elettroni/positroni può interagire con gli altri fotoni. Quindi a volte si rimbalzano l'un l'altro. È super raro perché devi aspettare che l'oscillazione del wibble avvenga al momento giusto, ma può succedere.
Credito: NASA/Dana Berry/SkyWorks Digital
Fraser:
Quindi come interagiscono con i buchi neri?
Paolo:
Bene, questo è il nocciolo della questione. Cosa hanno a che fare tutte queste particelle virtuali o campi elettromagnetici traballanti con i buchi neri, e in particolare con la radiazione di Hawking? Ma controlla questo. La formulazione originale di Hawking di questa idea che i buchi neri possono irradiarsi e perdere massa in realtà non ha nulla a che fare con le particelle virtuali. Oppure non parla direttamente di coppie di particelle virtuali, e infatti nessun'altra formulazione o concezione più moderna di questo processo parla di coppie di particelle virtuali.
Invece, parlano di più del campo stesso e in particolare di cosa sta succedendo al campo prima che il buco nero sia lì, cosa gli sta succedendo quando si forma il buco nero, e poi cosa succede al campo dopo che si è formato. E fa una specie di domanda: cosa succede a questi pezzi traballanti del campo, questi come un tipo transitorio di natura bollente del vuoto del campo elettromagnetico? Cosa succede quando si sta formando quel buco nero?
Bene, quello che succede è che alcuni dei pezzi traballanti vengono catturati vicino al buco nero, vicino all'orizzonte degli eventi mentre si sta formando, e trascorrono molto tempo lì, e alla fine scappano. Quindi ci vuole un po', ma quando scappano a causa dell'intensa curvatura lì, l'intensa curvatura dello spazio-tempo, possono essere potenziati o promossi. Quindi, invece di essere temporaneamente oscillanti, nel campo vengono potenziati per diventare particelle 'reali' o fotoni 'reali'. Quindi è davvero come un'interazione della formazione del buco nero stesso con il campo di fondo traballante, che alla fine sfugge perché non è del tutto intrappolato dal buco nero.
Alla fine sfugge e si trasforma in particelle reali, e puoi calcolare come succede con, diciamo, il numero previsto di particelle vicino all'orizzonte degli eventi del buco nero. La risposta è il numero negativo, il che significa che il buco nero sta perdendo massa e sputando particelle.
Ora questa concezione popolare di coppie di particelle virtuali che saltano fuori e una viene catturata all'interno dell'orizzonte degli eventi. Questo non è esattamente legato alla matematica della radiazione di Hawking, ma non è nemmeno esattamente sbagliato. Ricorda che le oscillazioni traballanti nel campo elettromagnetico sono correlate a queste coppie di particelle e antiparticelle che compaiono e scompaiono costantemente dall'esistenza. In un certo senso vanno di pari passo. Quindi, parlando di wibbly wobbly sul campo, stai anche parlando della produzione di particelle virtuali. E non è esattamente la matematica, ma lo sai abbastanza vicino.
La concezione di un artista dei getti di un buco nero supermassiccio. Credito immagine: NASA/Dana Berry/SkyWorks Digital
Fraser:
Ok, e infine, Paul. Ho bisogno che tu faccia saltare in aria casualmente le menti degli spettatori. Qualcosa sulle particelle virtuali che è semplicemente fantastico!
Paolo:
Bene. Quindi vuoi piegare le menti delle persone? Va bene. Lo stavo conservando per l'ultimo. Qualcosa di succoso, solo per te, Fraser.
Dai un'occhiata, è un'altra grande prova che abbiamo dell'esistenza di queste fluttuazioni di fondo e dell'esistenza di particelle virtuali, ed è qualcosa che chiamiamo Effetto Casimir o Forza Casimir.
Prendi due lastre di metallo neutre e quello che succede è che questo campo che permea tutto lo spazio-tempo è dentro le lastre ed è fuori le lastre. All'interno delle piastre, puoi avere solo determinate lunghezze d'onda dei modi. Quasi come l'interno di una tromba può avere solo determinate modalità che emettono suoni. Le estremità delle lunghezze d'onda devono connettersi alle piastre, perché è quello che fanno le piastre metalliche ai campi elettromagnetici.
All'esterno delle piastre puoi avere qualsiasi lunghezza d'onda che desideri. Non importa.
Quindi significa che fuori dalle piastre hai un numero infinito di possibili lunghezze d'onda dei modi. Ogni tipo di possibile tipo di fluttuazione, oscillazione nel campo elettromagnetico è presente, ma all'interno delle piastre sono solo determinate lunghezze d'onda che possono adattarsi alle piastre.
Ora, fuori c'è un numero infinito di modalità. All'interno, c'è ancora un numero infinito di modalità, solo leggermente meno numero infinito di modalità. E puoi prendere l'infinito all'esterno e sottrarre l'infinito infinito all'interno, e in realtà ottieni un numero finito, e ciò che ottieni è una pressione o una forza che unisce le piastre. E lo abbiamo effettivamente misurato. Questa è una cosa reale, e sì, non sto scherzando, puoi prendere l'infinito meno un infinito diverso e ottenere un numero finito. È possibile. Un esempio è la costante di Eulero Mascheroni. Ti sfido a cercarlo!
Quindi ecco, ora spero che tu capisca cosa sono queste particelle virtuali, come vengono rilevate e come contribuiscono all'evaporazione di un buco nero.
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