Posted by იმისთვის, რომ ვირტუალური ნაწილაკების გაჩენისა და ანიჰილაციის პრინციპებში გავერკვეთ, საჭიროა ფიზიკის ორი ძირითადი თეორიის, ფარდობითობის თეორიისა და კვანტური მექანისკის ძირითადი პრინციპის ცოდნა.
ჰაიზენბერგის პრინციპი:
სადაც x არის ნაწილაკის კოორდინატის განუსაზღვრელობა, p — ნაწილაკის იმპულსის განუსაზღვრელობა, h არის პლანკის კონსტანტა და π= 3,14.
ეს უტოლობა გვეუბნება, რომ ნაწილაკის პოზიციის ალბათობის ნამრავლი ნაწილაკის მდებარეობის (მომენტუმი) ალბათობასთან, ყოველთვის მეტია ან ტოლი, ვიდრე პლანკის მუდმივას შეფარდება 4⋅π – ზე. ანუ რაც უფრო ზუსტად ვიცით ნაწილაკის კოორდინატები, მით უფრო უცნობი და განუსაზღვრელია მისი იმპულსი. და პირიქით, რაც უფრო ზუსტად ვიცით იმპულსის სიდიდე, მით უფრო ნაკლებად ვიცით ამ ნაწილაკის კოორდინატები.
ფარდობითობის თეორია (ზედაპირულად/ნუ ძალზე ზედაპირულად)
ჩავთვალოთ, რომ მოვლენა (ზეახლის აფეთქება) A და B მოხდა ერთდროულად, ხოლო მარო მიემართება მიხოსკენ სინათლესთან მიახლოებული სიჩქარით (❤️). ფარდობითობის თეორია გვეუბნება, მიუხედავად იმისა, რომ მოვლენები ერთდროულად მოხდა, მიხოსთვის მოვლენა A უფრო ადრე დაფიქსირდება, ვიდრე B, ხოლო მაროსთვის კი მოვლენა B უფრო ადრე გამოჩნდება, ვიდრე მოვლენა A. და ვერც ერთი იტყვის, რომ რომელიმე მოვლენამ მეორე მოვლენა გამოიწვია. ეს გამომდინარეობს სინათლის სიჩქარის შეზღუდულობისგან (არაფერს შეუძლია სინათლის სიჩქარის გადალახვა), მაროსთვის ინფორმაცია B-დან უფრო მალე მოვა ვიდრე A-დან, მანძილთა სხვაობის გამო. მაგრამ თუ დავუშვებთ, რომ მაროს სინათლის სიჩქარეზე სწრაფად შეუძლია მოძრაობა (ძაან❤️), მაშინ გარკვეული მანძილის გავლის შემდგომ მარო დაინახავს, რომ კი, B მოვლენა უფრო ადრე მოხდა ვიდრე A მაგრამ, A მოვლენა უფრო სწრაფად განვითარდება ხოლო B ჩამორჩება მას განვითარებაში (მაგ: ზეახლის ნარჩენები A მოვლენაში გაფართოვდება, ხოლო B მოვლენაში პირიქით – შეკუმშვას დაიწყებს, როგორც კი მარო სინათლის სიჩქარეს გადააჭარბებს, რადგან B მოვლენიდან გამოსული ფოტონები ვეღარ დაეწევიან მაროს). ამ თვალსაზრისით, მარო დროში იმოგზაურებს თუ მისი სიჩქარე სინათლის სიჩქარეზე მეტი იქნება.
დავუბრუნდეთ კვანტურ ფიზიკას, სადაც “თუ არსებობს ალბათობა რაღაცის არსებობისა, ის აუცილებლად იარსებობს.”
ჰაიზენბერგის ზემოთ აღნიშნული უტოლობის შემდეგნაირი ინტერპრეტაცია შეგვიძლია მოვადხდინოთ. თუ ნაწილაკის მომენტუმი საკმარისად დიდია, ნაწილაკს შეუძლია სინათლის სიჩქარეზე უფრო სწრაფად იმოძრაოს. რაც იმას ნიშნავს, რომ “მაროს” შემთხვევა განმეორდება, მაგრამ გარკვეული უცნაურობებით.
დიაგრამაზე გვაქვს სტანდარტული აბსცისთა და ოორდინატთა ღერძი. T ამ შემთხვევაში აღნიშნავს დროს, ხოლო X აღნიშნავს სივრცეს. ამ დრო-სივრცეში მოძრაობს ელექტრონი გარკვეული სიჩქარით, როგორც კი ელექტრონი მიუახლოვდება და გადალახავს სინათლის სიჩქარეს ის დაიწყებს მოძრაობას დროში უკან და დიაგრამაზე გაჩნდება პირველი ტეხილი. ხოლო ენერგიის მუდმივობის კანონიდან გამომდინარე, ელექტრონი, რომელიც მოძრაობს დროში უკან იგივეა, რაც პოზიტრონი, რომელიც მოძრაობს დროში წინ. გამოდის, რომ ელექტრონი როგორც კი გადალახავს სინათლის სიჩქარეს გდაიქცევა პოზიტრონად. სწორედ პოზიტრონის ამ შემთხვევას ეწოდება ვირტუალური ნაწილაკი. ვირტუალური ნაწილაკი გარკვეულწილად ნამდვილი ნაწილაკის ანარეკლია და რაც უფრო მზგავსია მათი ენერგეტიკული მაჩვენებლები, მით უფრო დიდხანს ცოცხლობს ეს ვირტუალური ნაწილაკი.
განვაგრძოთ დიაგრამის აღწერა: ელექტრონის გარდაქმნის შემდეგ პოზიტრონად, დავუშვათ, რომ მან ენერგია დაკარგა და სინათლის სიჩქარეზე უფრო ნელა დაიწყო მოძრაობა, მაშინ ის ისევ ელექტრონად გადაკეთდება და დიაგრამაზე მეორე ტეხილს მივიღებთ. ამავდროულად, ჩვენ, დროის გარკვეული ინტერვალით თუ გავზომავთ ამ ნაწილაკის პოლარობას მის ადგილას ხან ელექტრონი დაგხვდება ხან პოზიტრონი, ხან ისევ ელექტრონი (გააჩნია გაზომვა ტეხილის რა ნაწილს დაემთხვევა დროში).
ვირტუალური ნაწილაკები მიღების კიდევ ერთი გზა არის კვანტური რხევები (ვაკუუმის არასტაბილურობა, ფლუქტუაცია). კვანტური რხევები თავს ავლენს ვაკუმში კონკრეტული წერტილის ენერგიის უცაბედი ცვალებადობის სახით, რაც გავლენას ახდენს ფოტონის ან ელექტრონის ქცევაზე. ენერგიის უცაბედმა ცვლილებამ შესაძლოა გამოიწვიოს ვირტუალური ნაწილაკების ფორმირება. ეს მოვლენა არ არის დაკვირვებადი პირდაპირი დამზერით, მაგრამ ჩვენ ვხედავთ მისი გავლენის შედეგებს ლემბოვსკის წანაცვლების (Lamb shift) სახით. ლამბის ნახტომი ვლინდება წყალბადის ატომში ელექტრონის ერთი ენერგეტიკული ველიდან უფრო მაღალენერგეტიკულ ველზე გადასვლის მომენტში (2S1/2 და 2P1/2). დირაკის განტოლების მიხედვით, ჩვენ არ უნდა გვქონოდა ელექტრონის ენერგიის ცვლილება ამ პროცესში, მაგრამ ლამბ-რეზერფორდის ექსპერიმენტმა საწინააღმდეგო დაამტკიცა. ელექტრონის ენერგეტიკულ სხვაობას ენერგეტიკულ 2S1/2 ველსა და 2P1/2 ენერგეტიკულ ველს შორის, ლამბის ნახტომი ეწოდება. ეს დამატებითი ენერგია სწორედ ვაკუუმის არასტაბილურობიდან მოდის. პროცესი შეგვიძლია ასე წარმოვიდგინოთ, გვაქვს წყალბადის ატომი, რომელიც შედგება ერთი პროტონისა და ერთი ორბიტული ელექტრონისგან. მას ეჯახება უარყოფითად დამუხტული ელექტრონი და ვაკუუმის ფლუნქტუაციით გამოწვეული ელექტრონის ალტერ ეგო — პოზიტრონი. ისინი დაჯახების წინ ახდენენ ერთმანეთის ანიჰილაციას. რადგან პროტონი დადებითადაა დამუხტული, ის უარყოფით ენერგიას მიითვისებს ხოლო ელექტრონი დადებითს და ახალ ენერგეტიკულ ველზე გადახტება. ეს სრულიად ცვლის ატომის ენერგეტიკულ პარამეტრებს და სხვაობა გავლენის მოხდენამდელსა და გავლენის მოხდენის შემდგომ ენერგიებს შორის დაახლოებით 14 დეციმელის ექვივალენტურია.
ვირტუალური ნაწილაკის გაჩენის კიდევ ერთი მშვენიერი მაგალითია ჰოკინგის გამოსხივება (ამ გამოსხივების ახსნაში სწორედ ლამბის ნახტომს აქვს გადამწყვეტი მნიშვნელობა), რომელიც თეორიულად ვლინდება იმ მომენტში, როდესაც ორი ვირტუალური ნაწილაკი ერთდროულად ჩნდება მოვლენათა ჰორიზონტზე და ერთ ერთი მათგანი თავს აღწევს შავი ხვრელის გრავიტაციას. და ამ თავდაღწევისას თან მიაქვს გარკვეული ენერგია, რაც გრძელვადიანად, შავი ხვრელის ენერგიის დაკარგვისა და შემდგომი ანიჰილაციის წყარო შეიძლება იყოს. შეიძლება, იმიტომ რომ ჰოკინგის გამოსხივება, ჯერჯერობით, ფიზიკურად არ არის აღმოჩენილი.
კიდევ უფრო მეტი უცნაურობები
ვირტუალური ნაწილაკები მნიშვნელოვან როლს თამაშობენ ნაწილაკების ენერგეტიკული მაჩვენებლების ფორმირებაში. აღმოჩნდა, რომ ჩვენ მიერ ერთეულ ნაწილაკზე დამზერილი ენერგიის მაჩვენებელი “იცვლება” მასთან მიახლოვების პროპრციულად. უფრო მეტიც ენერგიის ზოგი ტიპი იმატებს ზოგი კი პირიქით. თუ ელექტრონს დავაკვირდებით დავინახავთ, რომ მის გარშემო ენერგეტიკული ნახტომებია. ეს გამოწვეულია ვირტუალური ნაწილაკების ზეგავლენით. შეგვიძლაი ჩავთვალოთ, რომ ელექტრონი ვირტუალური პოზიტრონების სუპშია მოთავსებული. ამ მიახლოვებაზე ელქტრონის მაგნიტური თვისებები მკაფიოდაა გამოხატული. შემდეგ მიახლოვებაზე კი როდესაც უკვე ელექტრონის კვარკულ შემადგენლობას ვაკვირდებით ნაწილაკების ელექტრომაგნიტური და გრავიტაციული თვისებები მცირდება, ხოლო ძლიერდება ძლიერი და სუსტი ატომური ბმის ენერგიები. კვარკებს შორის ძლიერი ბმის გაწყვეტა პრაქტიკულად შეუძლებელია. ბმის სიძლიერე კვარკებისთვის მინიჭებული ენერგიის პროპორციულია, ხოლო ჭარბი ენერგიის შემთხვევაში ენერგია ახალ კვარკებად ტრანსფორმირდება, ისე რომ ძველი კვარკების ბმა შეუხებლი რჩება.
ვირტუალური ფოტონები
ვირტუალური ფოტონების გაცვლა ელექტრონებს შორის ალბათურია. ვირტუალური ფოტონის “გასროლის” მომენტი პირდაპირ დამზირებადი არ არის. ჩვენ მხოლოდ მაშინ შეგვიძლია ვთქვათ რომ მოხდა ვირტუალური ფოტონის გასროლა მეორე ელექტრონის მიმართულებით, როდესაც მეორე ელექტრონი დააფიქსირებს ამ ფოტონს და მოხდება ელექტრონის ენერგის უცაბედი ცვლილება. ვირტუალურმა ფოტონმა მეორე ელექტრონამდე შეიძლება გაიაროს ორი გზა. პირდაპირი გაცვლის და გზაში გარდაქმნის. ვირტუალური ფოტონი შესაძლოა მანძილის გავლისას ვირტუალურ ელექტრონ-პოზიტრონულ წყვილად გადაიქცეს და მიმღები ელექტრონში შეღწევის წინ ისევ ფოტონად გაერთიანდეს.
შეჯამება
კვანტური სამყარო ძალზედ უცნაურია, ხშირად, ადამიანურ ლოგიკას არ ექვემდებარება და ამ უცნაურობის საკმაოდ მსუყე ნაწილი სწორედ ვირტუალური ნაწილაკები, მათი ენერგეტიკული მახასიათებლები და ხილვად მატერიაზე გავლენის მოხდენის უნარია.