Vo fyzike sa občas stáva, že najlepším kľúčom k pochopeniu reality sú objekty, ktoré v skutočnosti neexistujú. Virtuálne častice, ktoré v polovici 20. storočia zaviedol legendárny fyzik Richard Feynman, sú toho najlepším príkladom. Hoci ich nikdy priamo nezachytíme žiadnym detektorom, bez nich by sme nedokázali pochopiť, ako sa skutočné častice vo vesmíre správajú. Vďaka nim dokážu fyzici predpovedať výsledky experimentov s presnosťou, aká nemá v dejinách vedy obdobu.

Tento paradox stojí v jadre jednej z najväčších záhad modernej fyziky: Ak matematický nástroj dokáže dokonale predpovedať realitu, nezaslúži si označenie „skutočný“? Téme sa venoval profesor Dipangkar Dutta vo svojom príspevku na webe Science Alert.

Iluzórne častice, ktoré hýbu vesmírom

Skutočné častice, ako elektróny alebo protóny, sú „hrčky energie“, ktoré vieme zachytiť prístrojmi – ich existenciu teda možno overiť experimentálne. Virtuálne častice sú iné. Neexistujú ako trvalé objekty v priestore, sú iba matematickou pomôckou, ktorá umožňuje pochopiť, ako sa skutočné častice navzájom ovplyvňujú.

Feynman prišiel s myšlienkou, že interakcie medzi časticami – napríklad elektromagnetické odpudzovanie medzi elektrónmi – sa dajú elegantne opísať ako výmena efemérnych virtuálnych častíc, napríklad fotónov. Tieto častice nevznikajú a nezanikajú tak, ako sme zvyknutí pri reálnych objektoch, ale krátko „vystúpia“ z prázdneho priestoru a okamžite zmiznú. Kvantová neurčitosť umožňuje, že si na zlomok sekundy „požičajú“ energiu z vákua a sprostredkujú pôsobenie síl.

Virtuálne častice sa preto často zobrazujú v slávnych Feynmanových diagramoch, ktoré vyzerajú ako kreslené schémy časticového ping-pongu. Tieto diagramy dodávajú virtuálnym časticiam istý pocit reality, hoci ide iba o vizuálnu pomôcku pre výpočty.

Freepik/Pixabay/Úprava redakcie

Presnosť, ktorá vyráža dych

Napriek svojej „neskutočnej“ povahe virtuálne častice umožňujú predpovedať experimentálne výsledky s neuveriteľnou presnosťou. Fyzici dokážu vďaka nim vypočítať napríklad elektromagnetickú interakciu medzi dvoma elektrónmi až na 12 desatinných miest – čo je ako zmerať vzdialenosť medzi severným a južným pólom s presnosťou na hrúbku vlasu.

„Ak dokážeme s takou presnosťou predpovedať, ako sa častice správajú, zdá sa, že tieto virtuálne častice musia skutočne existovať,“ poznamenáva profesor jadrovej fyziky z Mississippi State University.

Dutta a jeho kolegovia nedávno využili koncept virtuálnych fotónov pri meraní veľkosti protónu. Bombardovali atómy vodíka prúdom elektrónov a z reakcií dokázali odvodiť, že elektróny „cítia“ prítomnosť protónu výmenou virtuálnych fotónov. Podobne sa virtuálne častice uplatňujú aj pri výpočte Casimirovho efektu, pri ktorom sa dve kovové doštičky vo vákuu navzájom priťahujú, hoci medzi nimi nie je žiadna hmota.

Virtuálne častice zohrávajú úlohu dokonca aj pri teoretickom fenoméne známeho ako Hawkingovo žiarenie. Na okrajoch čiernych dier sa spontánne objavujú páry virtuálnych častíc; jednu z dvojice vtiahne gravitačné pole čiernej diery, zatiaľ čo druhá unikne, čím čierna diera postupne stráca energiu a „vyparuje sa“.

Fikcia alebo skutočnosť?

Otázka, či sú virtuálne častice len šikovnou ilúziou alebo skutočnými súčasťami vesmíru, rozdeľuje fyzikov už desaťročia. Niektorí zastávajú postoj, ktorý preslávil Feynman: „Jednoducho mlčte a počítajte.“ Podľa nich je dôležité, že výpočty fungujú, bez ohľadu na filozofické otázky o existencii.

Iní vedci sa snažia hľadať alternatívne prístupy, ktoré by umožnili opísať interakcie častíc bez nutnosti používať virtuálne častice. Ak by sa takáto teória osvedčila, virtuálne častice by mohli skončiť ako „éter“ – kedysi považovaný za nevyhnutné médium na šírenie svetla, ktorý však Einsteinova teória relativity úplne vyradila z hry.

Čítajte viac z kategórie: Novinky