Πως θα κατανοήσουμε την πραγματικότητα; Η λύση ίσως κρύβεται σε σωματίδια που «δεν υπάρχουν»

Μπορούν σωματίδια που δεν υπάρχουν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε τον ίδιο τον κόσμο; Σύμφωνα με τους Φυσικούς, ναι. Αυτά είναι τα λεγόμενα «εικονικά σωματίδια» (virtual particles), μια μαθηματική επινόηση που αποκαλύπτει τα βαθύτερα μυστικά της ύλης και των δυνάμεων που τη διέπουν. Αν και δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα, αποτελούν βασικό εργαλείο για την περιγραφή του τρόπου με τον οποίο τα πραγματικά σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

Η έννοια των virtual particles γεννήθηκε μέσα από την ανάγκη των Φυσικών να εξηγήσουν φαινόμενα σε υποατομικό επίπεδο, εκεί όπου οι νόμοι της κλασικής φυσικής παύουν να ισχύουν. Πρόκειται για μια μαθηματική μέθοδο που εισήγαγε ο Richard Feynman στα μέσα του 20ού αιώνα, προκειμένου να περιγράψει τις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των σωματιδίων – όπως η ηλεκτρομαγνητική και οι ισχυρές και ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις.

Τα πραγματικά σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, μπορούν να ανιχνευθούν και να μετρηθούν. Τα virtual particles, αντίθετα, υπάρχουν μόνο μέσα στις εξισώσεις: δεν παρατηρούνται ποτέ απευθείας, αλλά είναι αναγκαία για να εξηγηθεί πώς αυτά τα πραγματικά σωματίδια «νιώθουν» το ένα το άλλο. Παρά το φαινομενικά αφηρημένο τους υπόβαθρο, οι υπολογισμοί που βασίζονται σε αυτά αποδεικνύονται εντυπωσιακά ακριβείς, τόσο ακριβείς, που φτάνουν σε επίπεδο 12 δεκαδικών ψηφίων.

Για να αντιληφθεί κανείς τι σημαίνει αυτό, αρκεί να φανταστεί ότι η απόσταση από τον Βόρειο ως τον Νότιο Πόλο μετριέται με ακρίβεια καλύτερη από το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας. Αυτή η απίστευτη συμφωνία μεταξύ θεωρίας και πειραμάτων έχει οδηγήσει πολλούς επιστήμονες να αναρωτιούνται αν τελικά αυτά τα «φανταστικά» σωματίδια έχουν κάποια μορφή ύπαρξης, έστω και διαφορετική από την υλική.

Στην ουσία, τα virtual particles λειτουργούν σαν λογιστικό εργαλείο. Αντί οι Φυσικοί να προσπαθούν να υπολογίσουν απευθείας τις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των σωματιδίων, χρησιμοποιούν ένα σύστημα όπου οι δυνάμεις «μεταφέρονται» μέσω αυτών των προσωρινών σωματιδίων. Με αυτόν τον τρόπο οι εξισώσεις γίνονται πιο διαχειρίσιμες και, ταυτόχρονα, απαντούν σε ένα παλιό πρόβλημα της Φυσικής: πώς μπορεί μια δύναμη να ασκείται μέσα στο κενό.

Στον μικρόκοσμο, οι κανόνες της κβαντικής φυσικής επιτρέπουν στα virtual particles να «δανείζονται» για ένα απειροελάχιστο χρονικό διάστημα ενέργεια από το κενό, αρκεί να την επιστρέψουν προτού γίνουν ανιχνεύσιμα. Αυτή η παροδική ανισορροπία στην ενέργεια δίνει τη δυνατότητα στα σωματίδια να επιδρούν πραγματικά μεταξύ τους.

Ο Feynman ανέπτυξε και έναν εικονικό τρόπο απεικόνισης αυτών των διαδικασιών μέσω των γνωστών διαγραμμάτων Feynman, σχηματικών απεικονίσεων που μοιάζουν με κινούμενα σχέδια σωματιδίων που ανταλλάσσουν μηνύματα μεταξύ τους. Αυτά τα διαγράμματα όχι μόνο βοηθούν στη σύλληψη πολύπλοκων μαθηματικών σχέσεων, αλλά και έδωσαν στα virtual particles μια «υλική» διάσταση στο μυαλό των Φυσικών.

Οι προβλέψεις που προκύπτουν από αυτή τη μέθοδο έχουν επαληθευτεί πειραματικά με εντυπωσιακή ακρίβεια. Για παράδειγμα, οι Φυσικοί υπολογίζουν την ηλεκτρική απώθηση ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόνια θεωρώντας ότι ανταλλάσσουν «εικονικά φωτόνια», σωματίδια που μεταφέρουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Με αυτόν τον τρόπο εξηγείται και το πώς τα ηλεκτρόνια «αισθάνονται» την παρουσία του πρωτονίου μέσα στο άτομο του υδρογόνου.

Ακόμη και φαινόμενα όπως το φαινόμενο Casimir (η ελκτική δύναμη ανάμεσα σε δύο μεταλλικές πλάκες τοποθετημένες πολύ κοντά σε κενό) περιγράφονται με τη χρήση αυτών των μαθηματικών σωματιδίων. Οι υπολογισμοί με virtual particles προβλέπουν ακριβώς τη δύναμη που μετριέται πειραματικά, επιβεβαιώνοντας την αποτελεσματικότητά τους.

Η θεωρία αυτή μάλιστα προσφέρει εξηγήσεις και για φαινόμενα ακραίων συνθηκών, όπως η λεγόμενη ακτινοβολία Hawking. Σύμφωνα με αυτήν, στα όρια μιας μαύρης τρύπας μπορεί να δημιουργηθεί ένα ζευγάρι virtual particles. Το ένα «αιχμαλωτίζεται» από τη βαρύτητα της μαύρης τρύπας, ενώ το άλλο διαφεύγει, προκαλώντας τη σταδιακή εξάτμιση της ίδιας της μαύρης τρύπας. Αν και το φαινόμενο δεν έχει παρατηρηθεί απευθείας, υπάρχουν πλέον ενδείξεις που υποστηρίζουν την ύπαρξή του.

Το ερώτημα, βέβαια, παραμένει: μπορούν αυτά τα καθαρά μαθηματικά εργαλεία να θεωρηθούν πραγματικά; Αν οι Φυσικοί μπορούν να προβλέψουν με απόλυτη ακρίβεια τη συμπεριφορά της ύλης απλώς «φανταζόμενοι» ότι υπάρχει ανταλλαγή virtual particles, μήπως τελικά η διαχωριστική γραμμή ανάμεσα στο πραγματικό και το φανταστικό είναι πιο λεπτή απ’ όσο νομίζουμε;

Οι απόψεις διίστανται. Κάποιοι επιστήμονες ακολουθούν το ρητό του ίδιου του Feynman: «Σταματήστε να φιλοσοφείτε και απλώς υπολογίστε». Άλλοι αναζητούν νέες θεωρίες που θα μπορούσαν να περιγράψουν τις ίδιες δυνάμεις χωρίς την ανάγκη των virtual particles. Αν τα καταφέρουν, τα «φαντάσματα» της κβαντικής φυσικής ίσως εξαφανιστούν για πάντα.

Κάποιοι βλέπουν σε αυτή τη συζήτηση μια σύγχρονη εκδοχή του παλιού παραδείγματος του αιθέρα, ενός υποτιθέμενου μέσου μέσω του οποίου κινούνταν το φως, που τελικά αποδείχθηκε περιττό με τη θεωρία της σχετικότητας του Einstein.

Τα virtual particles ίσως να είναι, όπως και ο αιθέρας, μια «χρήσιμη ψευδαίσθηση». Κι όμως, χωρίς αυτή την ψευδαίσθηση, δεν θα μπορούσαμε να εξηγήσουμε τα φαινόμενα που μας βοηθούν να κατανοήσουμε τον κόσμο, από τη λειτουργία των μαγνητών μέχρι τη συμπεριφορά των μαύρων τρυπών. Ίσως, λοιπόν, η ίδια η πραγματικότητα να χρειάζεται μερικές καλά σχεδιασμένες αυταπάτες για να αποκαλυφθεί.

[via]