أداة رياضية ذكية تُعرف بالجسيمات الافتراضية تفتح الأبواب أمام الأعمال الداخلية الغريبة والغامضة للجسيمات دون الذرية. إن ما يحدث لهذه الجسيمات داخل الذرات سيظل غير قابل للتفسير بدون هذه الأداة.

تتنبأ الحسابات التي تستخدم الجسيمات الافتراضية بالسلوك الغريب للجسيمات دون الذرية بدقة غريبة لدرجة أن بعض العلماء يعتقدون “أنها لا بد أن تكون موجودة بالفعل”.

الجسيمات الافتراضية ليست حقيقية – وهذا واضح من اسمها – ولكن إذا كنت تريد أن تفهم كيف تتفاعل الجسيمات الحقيقية مع بعضها البعض، فلا مفر منها. إنها أدوات أساسية لوصف ثلاث من القوى الموجودة في الطبيعة: الكهرومغناطيسية، و القوي و النووية الضعيفة القوات.

متعلق ب: قد يتم أخيرًا حل لغز تذبذب الميون الذي دام 20 عامًا

الجسيمات الحقيقية هي كتل من الطاقة التي يمكن “رؤيتها” أو اكتشافها بواسطة الأدوات المناسبة؛ هذه الميزة هي ما يجعلها قابلة للملاحظة، أو حقيقية.

ومن ناحية أخرى، تعد الجسيمات الافتراضية أداة رياضية معقدة ولا يمكن رؤيتها. الفيزيائي ريتشارد فاينمان اخترعها لوصف التفاعلات بين الجزيئات الحقيقية.

لكن العديد من علماء الفيزياء غير مقتنعين بهذا التمييز القاطع.
على الرغم من أن الباحثين لا يستطيعون اكتشاف هذه الجسيمات الافتراضية، إلا أنهم يستخدمونها كأدوات للحساب توقع العديد من التأثيرات الدقيقة لقد أكدت التجارب فائقة الحساسية 12 منزلة عشرية مذهلة.

تشبه هذه الدقة قياس المسافة بين القطبين الشمالي والجنوبي بأفضل من عرض شعرة واحدة.

هذا المستوى من التوافق بين القياسات والحسابات يجعل من الجسيمات الافتراضية الفكرة الأكثر فحصًا في العلوم. وهو ما يدفع بعض علماء الفيزياء إلى التساؤل: هل يمكن لأداة رياضية أن تصبح حقيقية؟

أداة مسك الدفاتر

الجسيمات الافتراضية هي الأداة التي يستخدمها الفيزيائيون لحساب كيفية عمل القوى في العالم دون الذري المجهري. القوى حقيقية لأنه يمكن قياسها.

ولكن بدلاً من محاولة حساب القوى بشكل مباشر، يستخدم الفيزيائيون نظام مسك الدفاتر حيث تحمل الجسيمات الافتراضية قصيرة العمر القوة.

لا تجعل الجسيمات الافتراضية الحسابات أكثر قابلية للإدارة فحسب، بل إنها تحل أيضًا مشكلة طويلة الأمد في الفيزياء: كيف تؤثر القوة عبر الفضاء الفارغ؟

تستغل الجسيمات الافتراضية الغموض الطبيعي للعالم دون الذري، حيث إذا كانت هذه الجزيئات سريعة الزوال تعيش لفترة وجيزة بما فيه الكفاية، فيمكنها أيضًا أن تعيش لفترة وجيزة استعارة طاقتهم من الفضاء الفارغ. ضبابية توازن الطاقة يخفي هذا الخلل القصير، والذي يسمح للجزيئات الافتراضية بالتأثير على العالم الحقيقي.

إحدى المزايا الكبيرة لهذه الأداة هي أن العمليات الرياضية التي تصف القوى بين الجسيمات يمكن تصورها على شكل رسوم بيانية. إنها تميل إلى أن تبدو وكأنها رسوم كاريكاتورية على شكل عصا لجسيمات بينج بونج يتم لعبها بجزيئات افتراضية.

المخططات – مدبلجة مخططات فاينمان – توفر إطارًا بديهيًا ممتازًا، ولكنها أيضًا تمنح الجسيمات الافتراضية هالة من الواقع الخادع.

ومن المثير للدهشة أن طريقة الحساب الافتراضية هذه القائمة على الجسيمات تنتج بعض التنبؤات الأكثر دقة في كل العلوم.

التحقق من الواقع

تتكون كل المادة من وحدات بناء أساسية تسمى الذرات. والذرات بدورها تتكون من ذرات صغيرة جسيمات موجبة الشحنة تسمى البروتونات وجدت في جوهرها، وتحيط بها أصغر جسيمات سالبة الشحنة تسمى الإلكترونات.

كأستاذ في الفيزياء وعلم الفلك في جامعة ولاية ميسيسيبيأقوم بإجراء تجارب تعتمد غالبًا على فكرة أن الإلكترونات والبروتونات الموجودة في أدواتنا تتفاعل عن طريق تبادل الجسيمات الافتراضية.

لقد قمت أنا وزملائي مؤخرًا بقياس حجم البروتون بدقة شديدة، عن طريق قصف ذرات الهيدروجين بشعاع من الإلكترونات. يفترض هذا القياس أن الإلكترونات يمكنها “الشعور” بالبروتون الموجود في مركز ذرة الهيدروجين عن طريق تبادل الفوتونات الافتراضية: جزيئات الطاقة الكهرومغناطيسية.

يستخدم الفيزيائيون الجسيمات الافتراضية لحساب كيفية تنافر إلكترونين، بدقة رائعة. يتم تمثيل القوى المعنية على أنها التأثير المتراكم للإلكترونين اللذين يتبادلان الفوتونات الافتراضية.

عندما يتم وضع لوحين معدنيين بالقرب من بعضهما البعض في الفراغ، فإنهما يجذبان بعضهما البعض: وهذا ما يُعرف باسم تأثير كازيمير. يستطيع الفيزيائيون حساب القوة التي تسحب الصفائح معًا بدقة باستخدام رياضيات الجسيمات الافتراضية.

وسواء كانت الجسيمات الافتراضية موجودة بالفعل أم لا، فإن الرياضيات تتنبأ بالضبط بما يلاحظه الباحثون في العالم الحقيقي.

هناك تنبؤ غامض آخر تم إجراؤه باستخدام مجموعة أدوات الجسيمات الافتراضية إشعاع هوكينج. عندما تظهر أزواج من الجسيمات الافتراضية إلى الوجود عند حافة الثقوب السوداء، أحيانًا ما يحدث ذلك الثقب الأسودتجذب جاذبية أحد الشريكين بينما يهرب الآخر.

يؤدي هذا الصدع إلى تبخر الثقب الأسود ببطء. بالرغم من إشعاع هوكينج لم يتم ملاحظتها بشكل مباشر حتى الآن، كما اكتشف الباحثون مؤخرًا لاحظته بشكل غير مباشر.

خيال مفيد

دعونا نعود إلى السؤال: هل يمكن للأداة الرياضية أن تصبح حقيقية؟ إذا كان بإمكانك التنبؤ بشكل مثالي بكل شيء يتعلق بالقوة من خلال تخيل أنها محمولة بواسطة جسيمات افتراضية، فهل تعتبر هذه الجسيمات حقيقية؟ هل وضعهم الخيالي مهم؟

لا يزال الفيزيائيون منقسمين حول هذه الأسئلة. ويفضل البعض “الصمت والحساب” – وهي إحدى مزحات فاينمان الشهيرة. في الوقت الحالي، الجسيمات الافتراضية هي أفضل طريقة لدينا لوصف سلوك الجسيمات. لكن الباحثين يتطورون طرق بديلة التي لا تحتاج إليها على الإطلاق.

إذا نجحت هذه الأساليب، فقد تؤدي إلى اختفاء الجسيمات الافتراضية إلى الأبد. سواء كانت هذه الفكرة ناجحة أم لا، فإن حقيقة وجود البدائل تشير إلى أن الجسيمات الافتراضية قد تكون خيالًا مفيدًا وليست حقيقة مادية. كما أنه يتناسب مع نمط الثورات السابقة في العلوم – ويتبادر إلى ذهني مثال الأثير.

اخترع الفيزيائيون الأثير كوسيلة تنتقل من خلالها موجات الضوء. تطابقت التجارب بشكل جيد مع الحسابات باستخدام هذه الأداة، لكنها لم تتمكن من اكتشافها فعليًا. وفي نهاية المطاف، أظهرت النظرية النسبية لأينشتاين أنها غير ضرورية.

تمثل الجسيمات الافتراضية مفارقة مذهلة في الفيزياء الحديثة. لا ينبغي لها أن تكون موجودة، ومع ذلك فهي لا غنى عنها لحساب كل شيء، بدءًا من قوة المغناطيس وحتى سلوك الثقوب السوداء.

إنها تمثل معضلة عميقة: في بعض الأحيان تأتي أفضل الأفكار حول الواقع من خلال وهم مبني بعناية. في النهاية، قد يكون الارتباك حول الجسيمات الافتراضية مجرد ثمن لفهم القوى الأساسية.

ماركة دوتاأستاذ الفيزياء النووية, جامعة ولاية ميسيسيبي

أعيد نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. اقرأ المادة الأصلية.