Хитроумный математический инструмент, известный как виртуальные частицы, раскрывает странные и загадочные внутренние механизмы работы субатомных частиц. Без этого инструмента то, что происходит с этими частицами внутри атомов, осталось бы необъяснимым. Расчёты с использованием виртуальных частиц предсказывают странное поведение субатомных частиц с такой поразительной точностью, что некоторые учёные считают, что «они действительно должны существовать».
Виртуальные частицы не являются реальными — об этом говорит само их название — но если вы хотите понять, как реальные частицы взаимодействуют друг с другом, то виртуальные частицы незаменимы. Они являются важным инструментом для описания трёх сил, встречающихся в природе: электромагнетизма, сильного и слабого ядерных взаимодействий.
Реальные частицы — это скопления энергии, которые можно «увидеть» или обнаружить с помощью соответствующих приборов; эта особенность делает их наблюдаемыми, или реальными. Виртуальные частицы, с другой стороны, являются сложным математическим инструментом и увидеть их нельзя. Физик Ричард Фейнман придумал их, чтобы описать взаимодействия между реальными частицами.
Однако многие физики не убеждены в этом чётком разграничении. Хотя исследователи не могут обнаружить эти виртуальные частицы, как инструменты расчёта они предсказывают многие тонкие эффекты, которые сверхчувствительные эксперименты подтвердили с поразительной точностью — до 12 знаков после запятой. Такая точность сравнима с измерением расстояния между Северным и Южным полюсами с точностью до ширины одного волоса.
Такой уровень согласованности между измерениями и расчётами делает виртуальные частицы наиболее тщательно проверенной идеей в науке. Это заставляет некоторых физиков задаться вопросом: может ли математический инструмент на самом деле быть реальностью?
Инструмент для ведения учёта
Виртуальные частицы — это инструмент, который физики используют для расчёта того, как силы действуют в микроскопическом субатомном мире. Эти силы реальны, потому что их можно измерить.
Но вместо того, чтобы пытаться рассчитать силы напрямую, физики используют систему учёта, в которой взаимодействия переносят быстроживущие виртуальные частицы. Виртуальные частицы не только упрощают вычисления, но и решают давнюю проблему в физике: как сила действует в пустом пространстве?
Виртуальные частицы используют естественную нечёткость субатомного мира, где, если эти эфемерные частицы живут достаточно мало, они также могут на короткое время заимствовать свою энергию из пустого пространства. Нечёткость энергетического баланса скрывает этот кратковременный дисбаланс, что позволяет виртуальным частицам влиять на реальный мир.
Одним из больших преимуществ этого инструмента является то, что математические операции, описывающие силы между частицами, можно визуализировать в виде диаграмм. Они обычно выглядят как карикатурные рисунки с палочковыми фигурками, играющими в пинг-понг с виртуальными частицами. Диаграммы, получившие название диаграмм Фейнмана, предлагают отличную интуитивную основу, но они также придают виртуальным частицам обманчивую ауру реальности.
Удивительно, но этот метод расчёта на основе виртуальных частиц даёт одни из самых точных прогнозов во всей науке.
Проверка реальности
Вся материя состоит из основных строительных блоков, называемых атомами. Атомы, в свою очередь, состоят из маленьких положительно заряженных частиц, называемых протонами, которые находятся в их ядре и окружены ещё более мелкими отрицательно заряженными частицами, называемыми электронами.
Как профессор физики и астрономии в Университете штата Миссисипи, я провожу эксперименты, которые часто основываются на идее, что электроны и протоны, видимые в наших приборах, взаимодействуют путём обмена виртуальными частицами. Недавно мы с коллегами очень точно измерили размер протона, бомбардируя атомы водорода пучком электронов. Это измерение предполагает, что электроны могут «чувствовать» протон в центре атома водорода путём обмена виртуальными фотонами: частицами электромагнитной энергии.
Физики используют виртуальные частицы для расчёта силы отталкивания двух электронов друг от друга с исключительной точностью. Воздействующие силы представляются как совокупный эффект обмена виртуальными фотонами между двумя электронами.
Когда две металлические пластины помещаются очень близко друг к другу в вакууме, они притягиваются: это явление известно как эффект Казимира. Физики могут точно рассчитать силу, которая притягивает пластины друг к другу, используя математику виртуальных частиц. Независимо от того, существуют ли виртуальные частицы на самом деле, математика точно предсказывает то, что исследователи наблюдают в реальном мире.
Ещё одно загадочное предсказание, сделанное с помощью набора инструментов виртуальных частиц, — это так называемое излучение Хокинга. Когда пары виртуальных частиц появляются на краю чёрных дыр, иногда гравитация чёрной дыры захватывает одну из частиц, а другая ускользает [на самом деле, всё не так просто / прим.перев.]. Этот разрыв приводит к медленному испарению чёрной дыры. Хотя излучение Хокинга ещё не было непосредственно наблюдаемо, недавно исследователи наблюдали его косвенно.
Полезная выдумка
Вернёмся к вопросу: может ли математический инструмент оказаться реальностью? Если вы можете идеально предсказать всё о силе, представляя, что она переносится виртуальными частицами, можно ли считать эти частицы реальными? Имеет ли значение их вымышленный статус?
Физики по-прежнему разделены по этому вопросу. Некоторые предпочитают подход «заткнуться и считать» — одна из знаменитых шуток Фейнмана. На данный момент виртуальные частицы — наш лучший способ описать поведение частиц. Но исследователи разрабатывают альтернативные методы, которые вообще не нуждаются в них.
В случае успеха эти подходы могут привести к полному исчезновению виртуальных частиц. Независимо от успеха, сам факт существования альтернативных теорий предполагает, что виртуальные частицы могут быть скорее полезной фикцией, чем физической реальностью. Это также соответствует схеме предыдущих революций в науке — на ум приходит пример эфира. Физики изобрели эфир как среду, через которую распространяются световые волны. Эксперименты хорошо согласовывались с расчётами, использующими этот инструмент, но на самом деле его обнаружить не удалось. В конце концов, теория относительности Эйнштейна показала, что он не нужен.
Виртуальные частицы — поразительный парадокс современной физики. Они не должны существовать, но при этом незаменимы для расчёта всего, от силы магнитов до поведения чёрных дыр. Они представляют собой глубокую дилемму: иногда лучшее понимание реальности достигается через тщательно построенную иллюзию. В конце концов, путаница вокруг виртуальных частиц может быть просто ценой за понимание фундаментальных сил.
Комментарии (19)
SebastianP
21.10.2025 08:56Мне кажется все эти взаимодействия в другом измерении, а в нашем трехмерном нас перед фактом ставят. И мы знать не знаем что произошло в другом измерении
GrinFil
21.10.2025 08:56Есть ощущения, что всё сводится к свойствам самого пространства и его способности "коагулировать" в материю при избытке энергии. И все эти взаимодействия - следствия нарушения метрики, вызванного наличием материи.
zookko
21.10.2025 08:56Когда-то и "невозможные" решения уравнения Дирака считались лишь математическим конструктом, издержкой расчётов. А оно вон как в итоге вышло.
Vasya1209
21.10.2025 08:56ну, если эфир не нужен, и "пустое пространство" - не гротескный оксюморон а норма в нектрых пустых головах, то в этих же головах ейнштей великий физик а не распиаренный клоун, и проблема виртуальных частиц имеет место быть... зы - любое пространство по определению есть множество, и при наличии ненулевой метрики (расстояния) - не может быть пустым..... да, это не тридэ евклидка из действительных чисел , гомогенная на любом масштабе, но фрактальная неоднородность равновесий паретто на множестве равновесий нэша...впрочем, у кого эйнштейн герой эфира нет и Аллах акбар, тем не понять....
here-we-go-again
21.10.2025 08:56Мне нечем поставить минус, но это проклятый комментарий
SFeeD
21.10.2025 08:56А в чем он не прав? Пускай комментарий по изложению и проклятый, но в сути своей зрит в корень. А вообще автору статьи было бы неплохо упомянуть, что общая теория относительности не точна и некорректна. И что с эфиром вышло двойное заблуждение, ведь по сути он есть, но свойства у него другие нежели те, которые приписывали ему при его объявлении, и называется наш ефир бозоном хиггса. А вообще нечего кафирам лезть в физику идите смешриков смотрите.Еще Насир ад-Дин ат-Туси говорил, что все европейцы варвары.
Vasya1209
21.10.2025 08:56да, чуть не так написал - равновесия паретто не на множестве равновесий нэша, а на множестве, урановешенном по нэшу. объекты множества суть тоже равновесия паретто, на более мелком и быстром фрактальном масштабе...
DrSmile
21.10.2025 08:56"Реальные" частицы — это идеальная математическая абстракция, их не существует. Все частицы в природе в той или иной степени виртуальные. Более того, сами частицы и диаграммы Фейнмана — это математический трюк, теория возмущений для исходно непрерывных квантовых полей. И как и любой трюк, он может не работать — например, для сильного ядерного взаимодействия низких энергий. Соответственно, вопросы про частицы в составе протона, например, имеют проблемы с наличием смысла.
Pavel2017
21.10.2025 08:56Опять излучение Хокинга приплели. Ну нет на самом деле никакого излучения Хокинга! Объясню на пальцах: вот на горизонте событий ЧД образовалась пара виртуальных частиц. Одну из них ЧД проглотила, другая улетела. Но - на горизонте событий одновременно образуется гигантская масса таких пар. Соответственно, у половины из них внутрь ЧД упадёт частица, а у другой половины - античастица. Оставшиеся над горизонтом событий частицы и античастицы аннигилируют. Как собственно и те, что уйдут под горизонт. Т.е. наблюдаемая картина будет точно такой же, как и в любом другом месте Вселенной. Излучению просто неоткуда взяться. Недаром пока существовал СССР и была настоящая наука, Хокинга всерьёз у нас не воспринимали. Саган, Вайнберг, Хойл - это да. А Хокинга ее было.
kauri_39
21.10.2025 08:56Трудно понять, чем в реальности являются виртуальные частицы. Может быть, порождением реальных частиц, которые взаимодействуют через разделяющее их пространство, имеющее свойства среды. Физика преуспела в математическом отражении реальности, но не в понимании самой реальности.
Zdravstvuite
21.10.2025 08:56Честно говоря, не понял где в статье, на которую автор ссылается, говорится о косвенном наблюдении излучения Хокинга. Там о проверке его закона площадей. Или я невнимательно читал?
И, кстати, сколько уже раз напоминали, что "заткнись и считай" -- фраза Девида Мермина.
edo1h
21.10.2025 08:56Недавно мы с коллегами очень точно измерили размер протона,
А что это вообще такое, «радиус протона»?
lastpks
21.10.2025 08:56Когда-то я встречал следующее определение виртуальных частиц, которое сильно развеивает магию, которую вкладывают в эти слова. Это определение также можно много обсуждать и спорить на его счет, однако я не специалист в этой области и не уверен, что оно достоверно правильное, но по крайней мере оно меня вполне устраивает.
Виртуальные частицы -- это те же самые реальные частицы с тем исключением, что их нельзя достоверно экспериментально задетектировать из-за их малого времени существования. По принципу неопределенности Гейзенберга, чем точнее мы хотим померить энергию частицы, тем больше времени нам на это нужно. Так вот, время существования виртуальных частиц настолько мало, что не получается померить их энергию с необходимой точностью, чтобы точно сказать, что задетектировали такую частицу. Погрешность таких экспериментальных расчетов получается слишком большой. Таким образом, в слово "виртуальный" закладываются не различные магические свойства, а невозможность задетектировать такие частицы из-за наличия принципа неопределенности Гейзенберга.kauri_39
21.10.2025 08:56Магия остаётся: мы не можем задетектировать виртуальные частицы, но на них реагируют реальные частицы. Например, электрон не падает на протон, потому что получает импульсы при поглощении виртуальных фотонов. Так через них объясняют стабильные орбиты (уровни) электронов в атоме. Похоже, виртуальные частицы успевают проявить свой импульс, но не свою массу/энергию, иначе бы Вселенная схлопнулась от их гравитации. Поэтому они - иное, умозрительное представление чисто математической абстракции: нулевые колебания квантовых полей. Ненулевыми колебаниями квантовых полей описываются реальные частицы, а нулевыми (нерегистрируемыми из-за неопределённости Гейзенберга) описываются виртуальные.
Постигаемый на опыте микромир порождает его математическое описание, но оно не проясняет физическую природу микромира. Например, мы не знаем природу гравитации, но общая теория относительности описывает геометрические следствия её проявления. Точно описывает в масштабе Солнечной системы, где работает и закон притяжения Ньютона, а в масштабах галактик и скоплений уже требуется поправка в виде тёмной материи. Без понимания реальных физических процессов не получится создать и квантовую теорию гравитации. Надо рассматривать взаимодействия частиц материи и квантов среды, в которой они находятся, и через которую взаимодействуют друг с другом, проявляя свои гравитационные и электромагнитные свойства.
Panzerschrek
21.10.2025 08:56Реальна ли дырка от бублика? Или это всего лишь математическая абстракция?
amazingname
21.10.2025 08:56Виртуальные частицы сами по себе не являются чем то странным или загадочным. Странность находится в основе самой квантовой механики. Та часть реальности, которая временно не взаимодействует ни с чем эволюционирует как вектор из амплитуд вероятностей альтернативных исходов того что может быть намерено и при этом только этот принцип определяет все что наблюдается в физике. Отсюда получается принцип "все что возможно - обязательно" из которого следуют и виртуальные частицы и все прочее.
ceresian
Мне лично больше нравится объяснение (я не говорю, что оно правильное, оно для меня прикольное), что они реальны, но не касаются нашей метрики. Типа взаимодействие есть, но где-то там за углом.
Более того реальные частицы, большую часть времени тоже виртуальные, а когда касаются нашей метрики, то косо и криво потому, как она не по центру симметрии их колебаний/движений, со всем весельем квантовых эффектов.
Ну и соответственно логика: реальные частицы периодически выходят тусоваться с виртуальными за углом получая все эти взаимодействия.
Ну или наша метрика ловит только "реальные" касания при этом прозрачная для "виртуальных".