QUE SONT LES PARTICULES VIRTUELLES?

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Parfois, je trouve le point faible de mes articles en fonction des courriels et des commentaires qu'ils reçoivent.

Un article populaire que nous avons fait portait sur la prise de conscience de Stephen Hawking que les trous noirs doivent s’évaporer sur de longues périodes. Nous avons parlé du mécanisme et mentionné comment il y a ces particules virtuelles qui apparaissent et disparaissent.

Normalement, ces particules s'auto-anéantissent, mais au bord de l'horizon des événements d'un trou noir, une particule tombe, tandis qu'une autre est libre d'errer dans le cosmos. Comme vous ne pouvez pas créer de particules à partir de rien, le trou noir doit se sacrifier un peu pour acheter la liberté de cette particule nouvellement formée.

Mais mon court article n'était pas suffisant pour clarifier exactement ce que sont les particules virtuelles. De toute évidence, vous vouliez tous plus d'informations. Que sont-ils? Comment sont-ils détectés? Qu'est-ce que cela signifie pour les trous noirs?

Dans des situations comme celle-ci, quand je sais que la police physique réelle regarde, j'aime appeler une sonnerie. Encore une fois, je vais revenir en arrière et parler à mon bon ami et astrophysicien en activité, le Dr Paul Matt Sutter. Il a écrit des articles sur des sujets comme l'analyse bayésienne de l'aube cosmique et les simulations MHD des débits magnétiques. Il connaît vraiment son affaire.

Fraser Cain:
Hé Paul, première question: que sont les particules virtuelles?

Paul Matt Sutter:
Bien. Aucune pression, Fraser. OK OK.

Pour obtenir le concept de particules virtuelles, vous devez en fait prendre du recul et penser au champ, en particulier au champ électromagnétique. Dans notre vision actuelle du fonctionnement de l'univers, l'espace et le temps sont remplis de ce type de champ d'arrière-plan. Et ce champ peut osciller et osciller autour, et parfois ces ondulations et ces ondulations sont comme des ondes qui se propagent vers l'avant, et nous appelons ces ondes photons ou rayonnement électromagnétique, mais parfois il peut simplement rester là et vous savez bloop bloop bloop, juste vous savez pop pétiller dedans et dehors, ou monter et descendre, et faire bouillir un peu tout seul.

En fait, tout l'espace-temps est une sorte d'oscillation / oscillation autour de ce champ, même dans le vide. Un vide n'est pas l'absence de tout. Le vide est juste là où ce champ est dans son état d'énergie le plus bas. Mais même si c'est dans cet état d'énergie le plus bas, même si peut-être en moyenne il n'y a rien là-bas. Rien ne l'empêche de simplement bloop bloop bloop que vous savez bouillonner.

Donc, en fait, le vide est en train de bouillir avec ces champs. En particulier le champ électromagnétique dont nous parlons actuellement.

Et nous savons que les photons, cette lumière, peuvent se transformer en paires de particules et d'anti-particules. Il peut devenir, par exemple, un électron et un positron. Il peut simplement le faire. Cela peut arriver à des photons normaux, et cela peut arriver à ce genre de photons temporaires vacillants.

Donc, parfois, un photon ou parfois le champ électromagnétique peut se propager d'un endroit à un autre, et nous l'appelons un photon. Et ce photon peut se séparer en un positron et un électron, et d'autres fois, il peut simplement osciller en place et ensuite osciller POP POP. Il apparaît dans un positron et un électron, puis ils se percutent ou quoi que ce soit, et ils mijotent à nouveau. Donc, wibble wobble, pop pop, fizz fizz est un peu ce qui se passe dans le vide tout le temps, et c'est le nom que nous donnons à ces particules virtuelles sont juste le type normal de fuzz d'arrière-plan ou d'arrière-plan statique du vide.

Fraser:
D'accord. Alors, comment voyons-nous des preuves de particules virtuelles?

Paul:
Ouais, bonne question. Nous savons que le vide a une énergie qui lui est associée. Nous savons que ces particules virtuelles s'effritent et disparaissent toujours pour plusieurs raisons.

L'un est la transition de l'électron dans différents états de l'atome. Si vous excitez l'atome, l'électron passe à un état d'énergie supérieur. Il n'y a aucune raison pour que cet électron revienne à un état d'énergie inférieur. C'est déjà là. C’est en fait un état stable. Il n'y a aucune raison de le laisser à moins qu'il n'y ait de petites oscillations dans le champ électromagnétique et qu'il puisse rire autour de cet électron et le faire sortir de cet état d'énergie supérieure et l'envoyer s'écraser dans un état inférieur

Une autre chose est appelée Lamb Shift, et c'est à ce moment-là que le champ électromagnétique oscillant ou les particules virtuelles interagissent à nouveau avec les électrons, par exemple un atome d'hydrogène. Il peut les pousser doucement, et ce changement affecte certains états de l'électron et pas d'autres états. Et il y a en fait des états dont vous diriez qu'ils ont exactement les mêmes propriétés énergétiques, ils sont juste un peu identiques, mais parce que le décalage de l'agneau, à cause de ce champ électromagnétique vacillant et vacillant, interagit avec l'un de ces états et non avec l'autre, il en fait modifie subtilement les niveaux d'énergie de ces états, même si vous vous attendez à ce qu'ils soient complètement identiques.

Et un autre élément de preuve est dans la diffusion de photons photons habituellement deux photons juste, phweeet, volent l'un par l'autre. Ils sont électriquement neutres, donc ils n'ont aucune raison d'interagir, mais parfois les photons peuvent osciller dans des paires d'électrons / positrons, et cette paire d'électrons / positrons peut interagir avec les autres photons. Alors parfois, ils se rebondissent. C'est super rare parce que vous devez attendre que l'oscillation de wibble se produise au bon moment, mais cela peut arriver.

Fraser:
Alors, comment interagissent-ils avec les trous noirs?

Paul:
D'accord, c'est le cœur du problème. Qu'est-ce que toutes ces particules virtuelles ou champs électromagnétiques ondulants ont à voir avec les trous noirs, et en particulier le rayonnement de Hawking? Mais regardez ça. La formulation originale de Hawkings selon laquelle les trous noirs peuvent rayonner et perdre de la masse n'a en fait rien à voir avec les particules virtuelles. Ou il ne parle pas directement de paires de particules virtuelles, et en fait aucune autre formulation ou conception plus moderne de ce processus ne parle de paires de particules virtuelles.

Au lieu de cela, ils parlent davantage du champ lui-même et en particulier de ce qui se passe sur le terrain avant que le trou noir ne soit là, de ce qui lui arrive lorsque le trou noir se forme, puis de ce qui arrive au champ après sa formation. Et cela pose en quelque sorte une question: qu'arrive-t-il à ces morceaux de champ vacillants, tels que la nature transitoire de la nature bouillante du vide du champ électromagnétique? Que lui arrive-t-il alors que ce trou noir se forme?

Eh bien, ce qui se passe, c'est que certains des morceaux wobbly wobbly se coincent près du trou noir, près de l'horizon des événements alors qu'il se forme, et ils y passent beaucoup de temps, et finalement ils s'échappent. Cela prend donc un certain temps, mais quand ils s'échappent à cause de la courbure intense là-bas, de la courbure intense de l'espace-temps, ils peuvent être boostés ou promus. Ainsi, au lieu d'être temporairement vacillantes, dans le champ, elles sont boostées pour devenir de «vraies» particules ou de «vrais» photons. Donc, c'est vraiment comme une interaction de la formation du trou noir lui-même avec le champ d'arrière-plan wibbly wobbly, qui finit par s'échapper parce qu'il n'est pas tout à fait piégé par le trou noir.

Finalement, il s'échappe et se transforme en vraies particules, et vous pouvez calculer comme ce qui se passe avec, par exemple, le nombre attendu de particules près de l'horizon des événements du trou noir. La réponse est le nombre négatif, ce qui signifie que le trou noir perd de la masse et crache des particules.

Maintenant, cette conception populaire de paires de particules virtuelles surgit et se prend dans l'horizon des événements. Ce n'est pas exactement lié aux mathématiques du rayonnement de Hawking, mais ce n'est pas exactement faux non plus. Rappelez-vous que les oscillations dans le champ électromagnétique sont liées à ces paires de particules et d'antiparticules qui surgissent et disparaissent constamment. Ils vont en quelque sorte de pair. Donc, en parlant de wibbly wobbly sur le terrain, vous parlez également de la production de particules virtuelles. Et ce n'est pas exactement le calcul, mais vous en savez assez.

Fraser:
D'accord, et enfin, Paul. J'ai besoin que vous souffliez au hasard dans l'esprit des téléspectateurs. Quelque chose sur les particules virtuelles qui est tout simplement incroyable!

Paul:
Bien. Vous voulez donc plier les esprits? D'accord. Je gardais ça pour la dernière. Quelque chose de juteux, juste pour toi, Fraser.

Regardez ceci, c'est une autre grande preuve que nous avons pour l'existence de ces fluctuations de fond et l'existence de particules virtuelles, et c'est ce que nous appelons l'effet Casimir, ou Casimir Force.

Vous prenez deux plaques métalliques neutres, et ce qui se passe, c'est que ce champ qui imprègne tout l'espace-temps se trouve à l'intérieur des plaques et à l'extérieur des plaques. À l'intérieur des plaques, vous ne pouvez avoir que certaines longueurs d'onde de modes. Presque comme l'intérieur d'une trompette ne peut avoir que certains modes qui font du son. Les extrémités des longueurs d'onde doivent se connecter aux plaques, car c'est ce que les plaques métalliques font aux champs électromagnétiques.

En dehors des plaques, vous pouvez avoir la longueur d'onde de votre choix. Peu importe.

Cela signifie donc qu'en dehors des plaques, vous disposez d'un nombre infini de longueurs d'onde de modes possibles. Tous les types de fluctuations possibles, les oscillations dans le champ électromagnétique sont là, mais à l'intérieur des plaques, seules certaines longueurs d'onde peuvent s'adapter à l'intérieur des plaques.

Maintenant, à l'extérieur, il existe un nombre infini de modes. À l'intérieur, il y a toujours un nombre infini de modes, juste un peu moins de nombre infini de modes. Et vous pouvez prendre l'infini à l'extérieur, et soustraire l'infini infini à l'intérieur, et obtenir en fait un nombre fini, et vous vous retrouvez avec une pression ou une force qui rapproche les plaques. Et nous avons effectivement mesuré cela. C'est une chose réelle, et oui, je ne plaisante pas, vous pouvez prendre l'infini moins un infini différent et obtenir un nombre fini. C'est possible. Un exemple est la constante d'Euler Mascheroni. Je vous mets au défi de le rechercher!

Alors voilà, maintenant j'espère que vous comprenez ce que sont ces particules virtuelles, comment elles sont détectées et comment elles contribuent à l'évaporation d'un trou noir.

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