Ένας από τους πιο τρελούς ισχυρισμούς της σύγχρονης φυσικής είναι η ιδέα των εικονικών (ή εν δυνάμει) σωματιδίων. Πρόκειται για σωματίδια που εμφανίζονται στον πραγματικό κόσμο για πολύ μικρό χρονικό διάστημα και στη συνέχεια εξαφανίζονται, χωρίς να παραβιάζονται οι αρχές της φυσικής. Τα εικονικά σωματίδια υπάρχουν και μπορούμε να τα ‘δούμε’ έμμεσα.

Αν πάρουμε δύο αγώγιμες μεταλλικές πλάκες και τις τοποθετήσουμε την μία πολύ κοντά στην άλλη – και όταν λέμε πολύ κοντά, εννοούμε μια απόσταση όση το εύρος μερικών ατόμων – τότε αυτές οι δύο πλάκες θα αισθανθούν μια ελκτική δύναμη. Αυτό ονομάζεται φαινόμενο Casimir. Το φαινόμενο εμφανίζεται διότι εξαιτίας των μεταλλικών πλακών είναι αδύνατο για κάποια εικονικά σωματίδια να εμφανιστούν στο μεταξύ τους χώρο, κάτι που δεν συμβαίνει έξω από αυτόν. Αυτή η ελαφρά ανισορροπία οδηγεί σε μια ελκτική δύναμη μεταξύ των πλακών. Δεν πρόκειται για ηλεκτρομαγνητική δύναμη (και εννοείται ούτε βαρυτική ούτε ισχυρή ή ασθενή πυρηνική δύναμη), αλλά οφείλεται αποκλειστικά και μόνο στις κβαντικές διακυμάνσεις του κενού που προκαλούν την εμφάνιση των εικονικών σωματιδίων. 

Ένα άλλο φαινόμενο το οποίο εξηγείται θεωρώντας εικονικά σωματίδια είναι η ανώμαλη μαγνητική ροπή. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται σαν ένας μικροσκοπικός μαγνήτης που χαρακτηρίζεται από το μέγεθος της μαγνητικής ροπής. Για το ηλεκτρόνιο η μαγνητική ροπή είναι ανάλογη του σπιν : . Mια πρώτη προσέγγιση της εξίσωσης Dirac δίνει g=−2, μια τιμή που θεωρείται ως κλασικό αποτέλεσμα. Η κλασική τιμή διαφέρει από την παρατηρούμενη τιμή κατά ένα μικρό κλάσμα:  . Αυτή η διαφορά αναφέρεται ως ανώμαλη μαγνητική ροπή και εξηγείται θεωρώντας την ύπαρξη εικονικών σωματιδίων.

Αρχή της αβεβαιότητας και εικονικά σωματίδια

Ας ξεκινήσουμε με έναν πραγματικά κενό χώρο, που δεν περιέχει απολύτως τίποτα και έχει μηδενική ενέργεια δηλαδή, τίποτα απολύτως. Τότε από αυτό το τίποτα, εμφανίζεται ένα ηλεκτρόνιο και το αντίστοιχο σωματίδιο της αντιύλης, το αντι-ηλεκτρόνιο (ποζιτρόνιο). Αυτό συμβαίνει γιατί ακόμη και με τα εικονικά σωματίδια, ισχύουν ορισμένοι από τους γνωστούς κανόνες – σ’ αυτή την περίπτωση, τα σωματίδια ύλης και αντιύλης εμφανίζονται σε ζεύγη. Πολύ γρήγορα τα δύο σωματίδια ανασυνδυάζονται και επιστρέφουν σε μηδενική ενέργεια. Το φαινόμενο αυτό επαναλαμβάνεται ξανά και ξανά, με περισσότερα ηλεκτρόνια και αντι-ηλεκτρόνια, κουάρκ και αντι-κουάρκ, μιόνια και αντι-μιόνια, παρελαύνοντας έτσι ολόκληρος ο ζωολογικός κήπος των υποατομικών σωματιδίων, έστω και για ελάχιστο χρονικό διάστημα.

Όμως, αρχικά ο χώρος ήταν κενός, χωρίς ενέργεια. Στη συνέχεια εμφανίζονται δύο σωματίδια, που το καθένα έχει μάζα, η οποία ισοδυναμεί με ενέργεια. Κι αυτό φαίνεται να δημιουργεί πρόβλημα, αφού παραβιάζεται η αρχή διατήρησης της ενέργειας.

Η συνήθης ερμηνεία του παραδόξου επικαλείται την Αρχή της Αβεβαιότητας του Ηeisenberg, η οποία συσχετίζει την αβεβαιότητα στην ενέργεια με την αβεβαιότητα στον χρόνο: . H ενέργεια μπορεί να εμφανιστεί από το τίποτα του κενού χώρου, για ένα πολύ μικρό χρονικό διάστημα.

Αν η ποσότητα ενέργειας που εμφανίζεται είναι μικρή, τότε μπορεί να παραμείνει για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.

Η Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg δίνει μια εξήγηση της εμφάνισης των εικονικών σωματιδίων, αλλά για να κατανοήσουμε καλύτερα το φαινόμενο θα πρέπει να ξαναδούμε τι εννοούμε με τη λέξη σωματίδιο σύμφωνα με τις πιο σύγχρονες θεωρίες του κβαντικού πεδίου (η θεωρία που εξηγεί τον ηλεκτρομαγνητισμό ονομάζεται κβαντική ηλεκτροδυναμική ή QED, ενώ η θεωρία που εξηγεί την ισχυρή δύναμη ονομάζεται κβαντική χρωμοδυναμική ή QCD).

Κβαντική θεωρία πεδίου και εικονικά σωματίδια

Το κενό στην Κβαντική Θεωρία Πεδίου δεν είναι η κατάσταση του τίποτα – η κατάσταση όπου τίποτα δεν υπάρχει και τίποτα δεν συμβαίνει. Το τίποτα για ένα κβαντικό πεδίο είναι απλώς η κατάσταση ελάχιστης ενέργειας αυτού του πεδίου. Και σ’ αυτήν το πεδίο είναι υποχρεωτικά μηδέν. Έχει μέση τιμή μηδέν αλλά με ισχυρότατες κβαντικές διακυμάνσεις γύρω απ’ αυτήν και οι διακυμάνσεις αυτές μπορούν να γίνουν αισθητές.

Η ουσία λοιπόν των Κβαντικών Θεωριών Πεδίου είναι ότι ο κενός χώρος δεν είναι στην πραγματικότητα κενός. Είναι γεμάτος πεδία. Πεδίο ηλεκτρονίων, πεδίο μιονίων, πεδία των κουάρκ, πεδίο φωτονίων κ.λπ. Στην πραγματικότητα, υπάρχει ένα πεδίο για όλα τα γνωστά σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων.

Τα πεδία αυτά γεμίζουν τον χώρο και στον κβαντικό κόσμο, μπορούν να δονούνται. Για παράδειγμα, το πεδίο του ηλεκτρονίου όταν δονείται με τον κατάλληλο τρόπο, προκύπτει ένα ηλεκτρόνιο. Το σωματίδιο του ηλεκτρονίου με λίγα λόγια είναι μια πολύ συγκεκριμένη δόνηση του ηλεκτρονιακού πεδίου. Το πώς ακριβώς δονείται καθορίζεται από τις ιδιότητες του πεδίου. Είναι σαν την χαμηλότερη νότα σε μια χορδή κιθάρας που εξαρτάται από το μήκος της χορδής, το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένη και το πόσο σφιχτά είναι κουρδισμένη.

Αυτό είναι το σημείο-κλειδί. Τα ηλεκτρόνια είναι συγκεκριμένες δονήσεις του πεδίου του ηλεκτρονίου. Τα ποζιτρόνια (ή αντι-ηλεκτρόνια) είναι ελαφρώς διαφορετικές δονήσεις του ίδιου πεδίου.

Το κβαντικό πεδίο μπορεί να δονείται με περισσότερους τρόπους από τον συγκεκριμένο που δημιουργεί τα πραγματικά σωματίδια. Κι όταν δονείται, όχι ακριβώς με τον τρόπο που δημιουργεί ένα πραγματικό ηλεκτρόνιο, τότε μπορεί να δημιουργηθεί ένα εικονικό ηλεκτρόνιο, ενώ ταυτόχρονα υπάρχει και η αντίστοιχη δόνηση που δημιουργεί επίσης ένα ηλεκτρόνιο αντιύλης.

Με παρόμοιο τρόπο λειτουργεί και το πεδίο φωτονίων. Οι δονήσεις του πεδίου φωτονίων δημιουργούν φωτόνια. Τα φωτόνια διαφέρουν από τα ηλεκτρόνια στο ότι μπορούν να έχουν οποιαδήποτε ενέργεια. Αλλά όλα τα πραγματικά φωτόνια έχουν μηδενική μάζα. Έτσι, για ένα πραγματικό φωτόνιο, το μοτίβο της δόνησης μπορεί να έχει οποιαδήποτε ενέργεια, αρκεί η ενεργειακή δόνηση να συμβαίνει με τέτοιο τρόπο ώστε να μην έχει μάζα. Αν το πεδίο του φωτονίου δονείται με τέτοιο τρόπο ώστε η δόνηση να μην έχει μηδενική μάζα, τότε έχουμε ένα εικονικό φωτόνιο. Και το ίδιο ισχύει για όλα τα άλλα σωματίδια. Η ουσία είναι ότι η κβαντική θεωρία πεδίου υποστηρίζει ότι ο κενός χώρος είναι γεμάτος από έναν αριθμό πεδίων, καθένα από τα οποία δονείται με τρόπους που δεν δημιουργούν πραγματικά σωματίδια, αλλά το σύνολο των δονήσεων δημιουργούν όλα τα εικονικά σωματίδια που υπάρχουν σε αυτόν τον χώρο. Είναι ο λευκός θόρυβος του σύμπαντος – ένα κβαντικό βουητό.

Τα σωματίδια λοιπόν, πραγματικά και εικονικά, προκύπτουν από τις δονήσεις των πεδίων. Αυτή είναι η ουσία της κβαντικής θεωρίας πεδίου. Κι αυτό ακριβώς μας εξηγεί ο Dr. Don Lincoln από το Fermilab, στο βίντεο που ακολουθεί:

Το βίντεο κλείνει με την μουσική υπόκρουση «Good Vibrations» των Beach Boys:

Κατηγορίες:ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ, ΜΟΥΣΙΚΗ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ

Ετικέτες: PHYSICS