أداة رياضية ذكية تعرف باسم الجسيمات الافتراضية تفتح الأعمال الداخلية الغريبة والغامضة للجسيمات دون الذرية. ما يحدث لهذه الجسيمات داخل الذرات سيبقى غير مفسر بدون هذه الأداة. تتنبأ الحسابات التي تستخدم الجسيمات الافتراضية بالسلوك الغريب للجزيئات دون الذرية مع دقة غريبة لدرجة أن بعض العلماء يعتقدون أنها “يجب أن تكون موجودة حقًا”.
الجزيئات الافتراضية ليست حقيقية – فهي تقول ذلك بشكل صحيح في اسمها – ولكن إذا كنت تريد أن تفهم كيف تتفاعل الجزيئات الحقيقية مع بعضها البعض ، فهي لا مفر منها. إنها أدوات أساسية لوصف ثلاث من القوى الموجودة في الطبيعة: الكهرومغناطيسية ، والقوات النووية القوية والضعيفة.
الجسيمات الحقيقية هي كتل الطاقة التي يمكن “رؤيتها” أو اكتشافها بواسطة الأدوات المناسبة ؛ هذه الميزة هي ما يجعلها يمكن ملاحظتها ، أو حقيقية. الجسيمات الافتراضية ، من ناحية أخرى ، هي أداة رياضية متطورة ولا يمكن رؤيتها. اخترع الفيزيائي ريتشارد فاينمان لوصف التفاعلات بين الجسيمات الحقيقية.
لكن العديد من الفيزيائيين ليسوا مقتنعين بهذا التمييز المقطوع والتجفيف. على الرغم من أن الباحثين لا يستطيعون اكتشاف هذه الجسيمات الافتراضية ، حيث يتنبأون بأدوات الحساب ، فإنها تتنبأ بالعديد من التأثيرات الدقيقة التي أكدتها التجارب الصوتية في 12 مكانًا عشريًا. هذه الدقة تشبه قياس المسافة بين القطبين الشماليين والجنوبيين إلى أفضل من عرض شعر واحد.
هذا المستوى من الاتفاق بين القياسات والحسابات يجعل الجسيمات الافتراضية أكثر الفكرة فحصها بدقة في العلوم. يجبر بعض الفيزيائيين على السؤال: هل يمكن أن تصبح أداة رياضية حقيقية؟
أداة مسك الدفاتر
الجسيمات الافتراضية هي الأداة التي يستخدمها الفيزيائيون لحساب كيفية عمل القوى في العالم دون الذرية المجهري. القوى حقيقية لأنه يمكن قياسها.
ولكن بدلاً من محاولة حساب القوى مباشرة ، يستخدم الفيزيائيون نظام مسك الدفاتر حيث تحمل الجسيمات الافتراضية قصيرة العمر القوة. لا تجعل الجسيمات الافتراضية الحسابات أكثر قابلية للإدارة فحسب ، بل إنها أيضًا حل مشكلة طويلة الأمد في الفيزياء: كيف تعمل القوة عبر مساحة فارغة؟
تستغل الجزيئات الافتراضية الغموض الطبيعي للعالم دون الذري ، حيث إذا كانت هذه الجسيمات المؤقتة تعيش لفترة وجيزة بما فيه الكفاية ، فيمكنها أيضًا استعارة طاقتها لفترة وجيزة من مساحة فارغة. يخفي خطير توازن الطاقة هذا الخلل الموجز ، والذي يسمح للجزيئات الافتراضية بالتأثير على العالم الحقيقي.
تتمثل إحدى الميزات الكبيرة لهذه الأداة في أن العمليات الرياضية التي تصف القوى بين الجسيمات يمكن تصورها على أنها مخططات. إنها تميل إلى أن تبدو كاريكاتورية عصرية من الجسيمات Pingpong التي يتم لعبها بجزيئات افتراضية. توفر الرسوم البيانية – مخططات Feynman التي يطلق عليها – إطارًا بديهيًا ممتازًا ، ولكنها تعطي أيضًا جزيئات افتراضية هالة من الواقع الخداع.
بشكل مثير للدهشة ، تنتج هذه الطريقة الافتراضية القائمة على الجسيمات للحساب بعضًا من التنبؤات الأكثر دقة في كل العلوم.
فحص الواقع
كل المادة مصنوعة من لبنات البناء الأساسية تسمى الذرات. تصنع الذرات ، بدورها ، من جزيئات صغيرة مشحونة بشكل إيجابي تسمى البروتونات الموجودة في قلبها ، وتحيط بها جزيئات أصغر سلبًا تسمى الإلكترونات.
كأستاذ في الفيزياء وعلم الفلك في جامعة ولاية ميسيسيبي ، أقوم بإجراء تجارب تعتمد غالبًا على فكرة أن الإلكترونات والبروتونات التي شوهدت في أدواتنا تتفاعل عن طريق تبديل الجسيمات الافتراضية. لقد قمت أنا وزملائي بقياس حجم البروتون على وجه التحديد ، من خلال قصف ذرات الهيدروجين مع شعاع من الإلكترونات. يفترض هذا القياس أن الإلكترونات يمكن أن “تشعر” بالبروتون في وسط ذرة الهيدروجين من خلال تبادل الفوتونات الافتراضية: جزيئات الطاقة الكهرومغناطيسية.
يستخدم الفيزيائيون جزيئات افتراضية لحساب كيفية صد إلكترونين بعضهما البعض ، بدقة رائعة. يتم تمثيل القوى المعنية باعتبارها التأثير المتراكم للفوتونات الافتراضية التداول الإلكترونية.
عندما يتم وضع لوحين معدنيين قريبة للغاية في فراغ ، فإنها تجذب بعضها البعض: يُعرف هذا بتأثير Casimir. يمكن للفيزيائيين حساب القوة التي تجذب اللوحات معًا باستخدام رياضيات الجسيمات الافتراضية. سواء كانت الجسيمات الافتراضية موجودة بالفعل أم لا ، تتنبأ الرياضيات بالضبط بما يلاحظه الباحثون في العالم الحقيقي.
هناك تنبؤ غامض آخر تم إجراؤه باستخدام مجموعة أدوات الجسيمات الافتراضية وهو ما يسمى بإشعاع الصقور. عندما تنبثق أزواج الجسيمات الافتراضية على حافة الثقوب السوداء ، في بعض الأحيان ، تستحوذ جاذبية الثقب الأسود على شريك واحد بينما يهرب الآخر. هذا الصدع يتسبب في تبخر الثقب الأسود ببطء. على الرغم من أن إشعاع الصقور لم يتم ملاحظته مباشرة ، فقد لاحظ الباحثون مؤخرًا بشكل غير مباشر.
خيال مفيد
دعنا نعود إلى السؤال: هل يمكن أن تصبح أداة رياضية حقيقية؟ إذا كان بإمكانك التنبؤ تمامًا بكل شيء عن القوة من خلال تخيلها ، فسيتم تنفيذها بواسطة جزيئات افتراضية ، هل تتأهل هذه الجسيمات على أنها حقيقية؟ هل وضعهم الخيالي مهم؟
يظل الفيزيائيون مقسمين على هذه الأسئلة. يفضل البعض “فقط صمت وحساب” – أحد مزاح فاينمان الشهيرة. في الوقت الحالي ، تعد الجسيمات الافتراضية أفضل طريقة لوصف كيفية تصرف الجسيمات. لكن الباحثين يطورون طرقًا بديلة لا تحتاج إليها على الإطلاق.
إذا نجحت ، فإن هذه الأساليب يمكن أن تجعل الجزيئات الافتراضية تتلاشى من أجل الخير. ناجحة أم لا ، حقيقة أن البدائل موجودة على الإطلاق تشير إلى أن الجزيئات الافتراضية قد تكون خيالًا مفيدًا بدلاً من الحقيقة الجسدية. كما يناسب نمط الثورات السابقة في العلوم – مثال الأثير يتبادر إلى الذهن. اخترع الفيزيائيون الأثير كوسيلة سافرت من خلالها الموجات الخفيفة. تتوافق التجارب بشكل جيد مع الحسابات التي تستخدم هذه الأداة ، ومع ذلك لم يتمكنوا من اكتشافها بالفعل. في النهاية ، أظهرت نظرية آينشتاين النسبية أنها غير ضرورية.
الجزيئات الافتراضية هي مفارقة مذهلة للفيزياء الحديثة. لا ينبغي أن تكون موجودة ، ومع ذلك فهي لا غنى عنها لحساب كل شيء من قوة المغناطيس إلى سلوك الثقوب السوداء. أنها تمثل معضلة عميقة: في بعض الأحيان تأتي أفضل الأفكار في الواقع من خلال الوهم الذي تم إنشاؤه بعناية. في النهاية ، قد يكون الارتباك حول الجزيئات الافتراضية هو سعر فهم القوى الأساسية.
يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: Dipangkar Dutta ، جامعة ولاية ميسيسيبي
اقرأ المزيد:
يتلقى Dipangkar Dutta تمويلًا من قسم الطاقة الأمريكية و NSF.