Un outil mathématique intelligent connu sous le nom de particules virtuelles déverrouille le fonctionnement interne étrange et mystérieux des particules subatomiques. Ce qui arrive à ces particules à l'intérieur des atomes resterait inexpliqués sans cet outil. Les calculs utilisant des particules virtuels prédisent le comportement bizarre des particules subatomiques avec une précision si étrange que certains scientifiques pensent « qu'ils doivent vraiment exister ».
Les particules virtuelles ne sont pas réelles – elle le dit juste à leur nom, mais si vous voulez comprendre comment les particules réelles interagissent les unes avec les autres, elles sont inévitables. Ce sont des outils essentiels pour décrire trois des forces trouvées dans la nature: l'électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles.
Les particules réelles sont des morceaux d'énergie qui peuvent être «vus» ou détectés par des instruments appropriés; Cette fonctionnalité est ce qui les rend observables ou réels. Les particules virtuelles, en revanche, sont un outil mathématique sophistiqué et ne peuvent pas être vues. Le physicien Richard Feynman les a inventés pour décrire les interactions entre les particules réelles.
Mais de nombreux physiciens ne sont pas convaincus par cette distinction coupée et séchée. Bien que les chercheurs ne puissent pas détecter ces particules virtuelles, en tant qu'outils de calcul, ils prédisent de nombreux effets subtils que les expériences ultrasensibles ont confirmé à 12 décimales ahurissantes. Cette précision, c'est comme mesurer la distance entre les pôles nord et sud à la meilleure que la largeur d'un seul cheveux.
Ce niveau d'accord entre les mesures et les calculs fait des particules virtuelles l'idée la plus entièrement approuvée en science. Cela oblige certains physiciens à demander: un outil mathématique peut-il devenir réel?
Un outil de comptabilité
Les particules virtuelles sont l'outil que les physiciens utilisent pour calculer le fonctionnement des forces dans le monde subatomique microscopique. Les forces sont réelles car elles peuvent être mesurées.
Mais au lieu d'essayer de calculer directement les forces, les physiciens utilisent un système de comptabilité où les particules virtuelles de courte durée portent la force. Non seulement les particules virtuelles rendent les calculs plus gérables, mais ils résolvent également un problème de longue date en physique: comment une force agit-elle dans l'espace vide?
Les particules virtuelles exploitent le flou naturel du monde subatomique, où si ces particules éphémères vivent assez brièvement, elles peuvent également emprunter brièvement leur énergie à l'espace vide. Le flou de l'équilibre énergétique cache ce bref déséquilibre, ce qui permet aux particules virtuelles d'influencer le monde réel.
Un grand avantage de cet outil est que les opérations mathématiques décrivant les forces entre les particules peuvent être visualisées sous forme de diagrammes. Ils ont tendance à ressembler à des caricatures à figure de bâton de pingpong de particules jouées avec des particules virtuelles. Les diagrammes – ont plongé les diagrammes de Feynman – offrent un excellent cadre intuitif, mais ils donnent également aux particules virtuelles une aura de réalité qui est trompeuse.
Étonnamment, cette méthode de calcul virtuelle basée sur les particules produit certaines des prédictions les plus précises de toute la science.
Vérification de la réalité
Toutes les matières sont constituées de blocs de construction de base appelés atomes. Les atomes, à leur tour, sont faits de petites particules chargées positivement appelées protons trouvées à leur cœur, entourées de particules encore plus petites chargées négativement appelées électrons.
En tant que professeur de physique et d'astronomie à la Mississippi State University, j'effectue des expériences qui reposent souvent sur l'idée que les électrons et les protons vus dans nos instruments interagissent en échangeant des particules virtuelles. Mes collègues et moi avons récemment mesuré la taille du proton très précisément, en bombardant des atomes d'hydrogène avec un faisceau d'électrons. Cette mesure suppose que les électrons peuvent « ressentir » le proton au centre de l'atome d'hydrogène en échangeant des photons virtuels: particules d'énergie électromagnétique.
Les physiciens utilisent des particules virtuelles pour calculer comment deux électrons se repoussent, avec une précision exquise. Les forces impliquées sont représentées comme l'effet accumulé des deux électrons échangeant des photons virtuels.
Lorsque deux plaques métalliques sont placées extrêmement proches les unes des autres dans le vide, elles s'attirent mutuellement: c'est ce qu'on appelle l'effet Casimir. Les physiciens peuvent calculer avec précision la force qui rassemble les plaques en utilisant des mathématiques virtuelles des particules. Que les particules virtuelles soient vraiment là ou non, les mathématiques prédisent exactement ce que les chercheurs observent dans le monde réel.
Encore une autre prédiction mystérieuse faite à l'aide de la trousse d'outils de particules virtuelles est le soi-disant rayonnement de colportage. Lorsque les paires de particules virtuelles existent au bord des trous noirs, la gravité du trou noir saisit parfois un partenaire tandis que l'autre s'échappe. Ce rift fait que le trou noir s'évapore lentement. Bien que le rayonnement de colportage n'ait pas encore été directement observé, les chercheurs l'ont récemment observé indirectement.
Fiction utile
Revenons à la question: un outil mathématique peut-il devenir réel? Si vous pouvez parfaitement prédire tout sur une force en l'imaginant est porté par des particules virtuelles, ces particules sont-elles considérées comme réelles? Leur statut fictif est-il important?
Les physiciens restent divisés sur ces questions. Certains préfèrent «se taire et calculer» – l'une des célèbres plaisanteries de Feynman. Pour l'instant, les particules virtuelles sont notre meilleure façon de décrire comment les particules se comportent. Mais les chercheurs développent des méthodes alternatives qui n'en ont pas besoin du tout.
En cas de succès, ces approches pourraient faire disparaître les particules virtuelles. Réussi ou non, le fait que des alternatives existent du tout suggèrent que les particules virtuelles pourraient être une fiction utile plutôt qu'une vérité physique. Il correspond également au modèle des révolutions précédentes en science – l'exemple de l'éther me vient à l'esprit. Les physiciens ont inventé l'éther comme moyen par lequel les vagues légères voyageaient. Les expériences correspondaient bien aux calculs à l'aide de cet outil, mais ils ne pouvaient pas réellement le détecter. Finalement, la théorie de la relativité d'Einstein a montré qu'elle n'était pas nécessaire.
Les particules virtuelles sont un paradoxe frappant de la physique moderne. Ils ne devraient pas exister, mais ils sont indispensables pour calculer tout, de la force des aimants au comportement des trous noirs. Ils représentent un dilemme profond: parfois les meilleures perspectives sur la réalité proviennent d'une illusion soigneusement construite. En fin de compte, la confusion autour des particules virtuelles peut être juste le prix de la compréhension des forces fondamentales.
