Manchmal finde ich die Schwachstelle in meinen Artikeln anhand der E-Mails und Kommentare heraus, die sie erhalten.
Einer beliebter Artikel Bei uns drehte sich alles um Stephen Hawkings Erkenntnis, dass Schwarze Löcher über lange Zeiträume hinweg verdampfen müssen. Wir haben über den Mechanismus gesprochen und erwähnt, dass es diese virtuellen Partikel gibt, die in Existenz und wieder verschwinden.
Normalerweise vernichten sich diese Teilchen selbst, aber am Rand des Ereignishorizonts eines Schwarzen Lochs fällt ein Teilchen hinein, während ein anderes frei im Kosmos wandern kann. Da man keine Teilchen aus dem Nichts erschaffen kann, muss das Schwarze Loch ein wenig von sich selbst opfern, um die Freiheit dieses neu gebildeten Teilchens zu kaufen.
Aber mein kurzer Artikel reichte nicht aus, um genau zu klären, was virtuelle Teilchen sind. Ihr wolltet natürlich alle mehr Informationen. Was sind Sie? Wie werden sie erkannt? Was bedeutet das für Schwarze Löcher?
In Situationen wie dieser, wenn ich weiß, dass die eigentliche Physik-Polizei zusieht, rufe ich gerne einen Klingelton. Ich werde noch einmal zurückgehen und mit meinem guten Freund und tatsächlich arbeitenden Astrophysiker Dr. Paul Matt Sutter sprechen. Er hat Artikel zu Themen wie der Bayesian Analysis of Cosmic Dawn und MHD Simulations of Magnetic Outflows verfasst. Er kennt sich wirklich aus.
Fraser Kain:
Hey Paul, erste Frage: Was sind virtuelle Teilchen?
Paul Matt Sutter:
In Ordung. Kein Druck, Fraser. Okay okay.
Um das Konzept der virtuellen Teilchen zu verstehen, muss man tatsächlich einen Schritt zurücktreten und über das Feld nachdenken, insbesondere das elektromagnetische Feld. In unserer gegenwärtigen Sicht auf die Funktionsweise des Universums sind Raum und Zeit mit dieser Art von Hintergrundfeld ausgefüllt. Und dieses Feld kann herumwackeln und wackeln, und manchmal sind dieses Wackeln und Wackeln wie Wellen, die sich vorwärts ausbreiten, und wir nennen diese Wellen Photonen oder elektromagnetische Strahlung, aber manchmal kann es einfach dort sitzen und du weißt, bloop bloop bloop, nur du weißt Pop rein und raus oder auf und ab sprudeln und ganz von selbst ein wenig kochen.
Tatsächlich wackelt/wackelt die ganze Zeit um dieses Feld herum, sogar im Vakuum. Ein Vakuum ist nicht die Abwesenheit von allem. Das Vakuum befindet sich genau dort, wo sich dieses Feld in seinem niedrigsten Energiezustand befindet. Aber obwohl es sich im niedrigsten Energiezustand befindet, obwohl vielleicht im Durchschnitt nichts da ist. Es gibt nichts, was es davon abhält, nur bloop bloop bloop herumzusprudeln.
Bildnachweis: NASA, ESA, Q.D. Wang (Universität Massachusetts, Amherst) und S. Stolovy (Caltech)
Tatsächlich kocht das Vakuum mit diesen Feldern. Insbesondere das elektromagnetische Feld, über das wir gerade sprechen.
Und wir wissen, dass Photonen, dieses Licht, sich in Teilchen-Antiteilchen-Paare verwandeln können. Es kann sich in ein Elektron und ein Positron verwandeln. Es kann nur dies tun. Es kann normalen Photonen passieren, und es kann solchen vorübergehenden wackeligen, wackeligen Photonen passieren.
Manchmal kann sich also ein Photon oder manchmal das elektromagnetische Feld von einem Ort zum anderen ausbreiten, und wir nennen es ein Photon. Und dieses Photon kann sich in ein Positron und ein Elektron aufspalten, und manchmal kann es nur an Ort und Stelle wackeln und dann wackeln POP POP. Es knallt in ein Positron und ein Elektron und dann prallen sie aufeinander oder was auch immer, und sie köcheln einfach wieder herunter. Wibble Wobble, Pop Pop, Fizz Fizz ist also das, was die ganze Zeit im Vakuum vor sich geht, und so nennen wir diese virtuellen Partikel nur die normale Art von Hintergrundfuzz oder Hintergrundstatik für das Vakuum.
Fraser:
Okay. Wie sehen wir also Beweise für virtuelle Teilchen?
Paulus:
Ja, tolle Frage. Wir wissen, dass mit dem Vakuum eine Energie verbunden ist. Wir wissen, dass diese virtuellen Teilchen aus verschiedenen Gründen immer wieder in und aus der Existenz sprudeln.
Einer ist der Übergang des Elektrons in verschiedene Zustände des Atoms. Wenn Sie das Atom anregen, springt das Elektron in einen höheren Energiezustand. Es gibt keinen Grund für dieses Elektron, in einen niedrigeren Energiezustand zurückzukehren. Es ist schon da. Eigentlich ein stabiler Zustand. Es gibt keinen Grund, es zu verlassen, es sei denn, es gibt kleine Wackelbewegungen im elektromagnetischen Feld und es kann um dieses Elektron herum kichern und es aus diesem höheren Energiezustand herausschlagen und es in einen niedrigeren Zustand stürzen lassen
Eine andere Sache wird Lamb Shift genannt, und das ist, wenn das wackelige, wackelige elektromagnetische Feld oder die virtuellen Teilchen wieder mit Elektronen in beispielsweise einem Wasserstoffatom wechselwirken. Es kann sie sanft herumschubsen, und diese Verschiebung beeinflusst einige Zustände des Elektrons und andere nicht. Und es gibt tatsächlich Zustände, von denen man sagen würde, dass sie genau die gleichen Energieeigenschaften haben, sie sind nur irgendwie identisch, aber weil die Lamb Shift aufgrund dieses wackeligen, wackeligen elektromagnetischen Felds mit einem dieser Zustände interagiert und nicht mit dem anderen, ist es tatsächlich so ändert subtil die Energieniveaus dieser Zustände, obwohl Sie erwarten würden, dass sie völlig gleich sind.
Und ein weiterer Beweis ist die Photonen-Photonen-Streuung, normalerweise fliegen zwei Photonen einfach aneinander vorbei. Sie sind elektrisch neutral, also haben sie keinen Grund zu interagieren, aber manchmal können die Photonen wackeln, beispielsweise in Elektron/Positron-Paare, und dieses Elektron/Positron-Paar kann mit den anderen Photonen wechselwirken. So prallen sie manchmal aneinander ab. Es ist sehr selten, weil Sie warten müssen, bis das Wackeln genau zum richtigen Zeitpunkt auftritt, aber es kann passieren.
Bildnachweis: NASA/Dana Berry/SkyWorks Digital
Fraser:
Wie interagieren sie mit Schwarzen Löchern?
Paulus:
Okay, das ist der Kern der Sache. Was haben all diese virtuellen Teilchen oder wackeligen elektromagnetischen Felder mit Schwarzen Löchern und speziell mit Hawking-Strahlung zu tun? Aber sieh dir das an. Hawkings ursprüngliche Formulierung dieser Idee, dass Schwarze Löcher strahlen und an Masse verlieren können, hat eigentlich nichts mit virtuellen Teilchen zu tun. Oder es spricht nicht direkt von virtuellen Teilchenpaaren, und tatsächlich spricht auch keine andere Formulierung oder modernere Konzeption dieses Prozesses von virtuellen Teilchenpaaren.
Stattdessen sprechen sie mehr über das Feld selbst und insbesondere darüber, was mit dem Feld passiert, bevor das Schwarze Loch da ist, was mit ihm passiert, während sich das Schwarze Loch bildet, und dann, was mit dem Feld passiert, nachdem es gebildet wurde. Und es stellt eine Art Frage: Was passiert mit diesen wackeligen, wackeligen Teilen des Felds, diese wie eine vorübergehende Art des Siedens des Vakuums des elektromagnetischen Felds? Was passiert damit, wenn sich das Schwarze Loch bildet?
Nun, was passiert, ist, dass einige der wackeligen, wackeligen Teile einfach in der Nähe des Schwarzen Lochs gefangen werden, in der Nähe des Ereignishorizonts, während es sich bildet, und sie verbringen eine lange Zeit dort und entkommen schließlich. Es dauert also eine Weile, aber wenn sie aufgrund der starken Krümmung dort, der starken Krümmung der Raumzeit, entkommen, können sie verstärkt oder gefördert werden. Anstatt also vorübergehend wackelig zu sein, werden sie im Feld zu 'echten' Teilchen oder 'echten' Photonen verstärkt. Es ist also wirklich wie eine Interaktion der Bildung des Schwarzen Lochs selbst mit dem wackeligen, wackeligen Hintergrundfeld, das schließlich entweicht, weil es nicht ganz vom Schwarzen Loch gefangen ist.
Irgendwann entweicht es und verwandelt sich in echte Teilchen, und Sie können berechnen, was beispielsweise mit der erwarteten Anzahl von Teilchen in der Nähe des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs passiert. Die Antwort ist die negative Zahl, was bedeutet, dass das Schwarze Loch Masse verliert und Teilchen ausspuckt.
Jetzt diese populäre Vorstellung von virtuellen Teilchenpaaren, die auftauchen und sich innerhalb des Ereignishorizonts verfangen. Das ist nicht unbedingt mit der Mathematik der Hawking-Strahlung verbunden, aber auch nicht ganz falsch. Denken Sie daran, dass die wackeligen Wobblys im elektromagnetischen Feld mit diesen Paaren von Teilchen und Antiteilchen zusammenhängen, die ständig auftauchen und wieder verschwinden. Sie gehen irgendwie Hand in Hand. Wenn Sie also von Wibbly-Wobblys im Feld sprechen, sprechen Sie auch über die Produktion virtueller Partikel. Und es ist nicht gerade die Mathematik, aber Sie wissen es nahe genug.
Die Vorstellung eines Künstlers über die Jets eines supermassiven Schwarzen Lochs. Bildquelle: NASA / Dana Berry / SkyWorks Digital
Fraser:
Okay, und schließlich, Paul. Ich brauche Sie, um die Zuschauer zufällig umzuhauen. Etwas über virtuelle Partikel, das einfach unglaublich ist!
Paulus:
In Ordung. Du willst also den Verstand der Leute verbiegen? Gut. Das habe ich mir zum Schluss aufgehoben. Etwas Saftiges, nur für dich, Fraser.
Sehen Sie sich das an, es ist ein weiterer großer Beweis, den wir für die Existenz dieser Hintergrundfluktuationen und die Existenz virtueller Partikel haben, und das ist etwas, das wir den Casimir-Effekt oder die Casimir-Kraft nennen.
Sie nehmen zwei neutrale Metallplatten und was passiert, ist dieses Feld, das die gesamte Raumzeit durchdringt, innerhalb der Platten und außerhalb der Platten. Innerhalb der Platten können Sie nur bestimmte Wellenlängen von Moden haben. Fast wie das Innere einer Trompete kann es nur bestimmte Modi geben, die den Klang erzeugen. Die Enden der Wellenlängen müssen sich mit den Platten verbinden, denn das machen Metallplatten mit elektromagnetischen Feldern.
Außerhalb der Platten können Sie jede gewünschte Wellenlänge haben. Es spielt keine Rolle.
Das bedeutet, dass Sie außerhalb der Platten eine unendliche Anzahl möglicher Wellenlängen von Moden haben. Alle möglichen Arten von Fluktuationen, Wackeln im elektromagnetischen Feld sind vorhanden, aber innerhalb der Platten passen nur bestimmte Wellenlängen in die Platten.
Nun, draußen gibt es eine unendliche Anzahl von Modi. Im Inneren gibt es noch unendlich viele Modi, nur etwas weniger unendlich viele Modi. Und Sie können die Unendlichkeit außen nehmen und die unendliche Unendlichkeit innen subtrahieren und tatsächlich eine endliche Zahl erhalten, und am Ende erhalten Sie einen Druck oder eine Kraft, die die Platten zusammenbringt. Und das haben wir tatsächlich gemessen. Dies ist eine echte Sache, und ja, ich mache keine Witze, Sie können Unendlichkeit minus einer anderen Unendlichkeit nehmen und eine endliche Zahl erhalten. Es ist möglich. Ein Beispiel ist die Euler-Mascheroni-Konstante. Ich fordere Sie heraus, es nachzuschlagen!
Ich hoffe, Sie verstehen jetzt, was diese virtuellen Teilchen sind, wie sie entdeckt werden und wie sie zur Verdampfung eines Schwarzen Lochs beitragen.
Und wenn Sie es noch nicht getan haben, stellen Sie sicher, dass Sie Klicke hier und gehe auf seinen Kanal. Sie finden Dutzende von Videos, die ebenso knifflige Fragen beantworten. Senden Sie Ihre Fragen und er könnte einfach ein Video machen und sie beantworten.
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