Sanal parçacıklar olarak bilinen akıllıca bir matematiksel araç, atom altı parçacıkların tuhaf ve gizemli iç işleyişini ortaya çıkarıyor. Bu araç olmadan atomların içindeki bu parçacıklara ne olduğunu anlamak açıklanamaz kalırdı.
Sanal parçacıklar kullanılarak yapılan hesaplamalar, atom altı parçacıkların tuhaf davranışlarını o kadar doğru bir şekilde tahmin ediyor ki, bazı bilim insanları onların "gerçekten var olması gerektiğini" düşünüyor.
İsimlerinde de belirtildiği gibi, sanal parçacıklar gerçek değil. Ancak gerçek parçacıkların birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini anlamak istiyorsanız, onlar vazgeçilmezdir. Doğada bulunan üç kuvveti tanımlamak için kullanılırlar: elektromanyetizma, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet.
Gerçek parçacıklar, uygun aletlerle "görülebilen" veya tespit edilebilen enerji yığınlarıdır; bu özellik onları gözlemlenebilir, yani gerçek kılar.
Sanal parçacıklar ise, karmaşık bir matematiksel araçtır ve görülemezler. Fizikçi Richard Feynman, gerçek parçacıklar arasındaki etkileşimleri açıklamak için onları icat etmiştir.
Ancak birçok fizikçi bu kesin ayrım konusunda ikna olmamış durumda. Araştırmacılar bu sanal parçacıkları tespit edemeseler de, hesaplama araçları olarak ultrasensitif deneylerin akıl almaz bir şekilde 12 ondalık basamağa kadar doğruladığı birçok ince etkiyi tahmin edebiliyorlar.
Bu hassasiyet, Kuzey ve Güney kutupları arasındaki mesafeyi tek bir saç telinin genişliğinden daha iyi ölçmek gibidir.
Ölçümler ve hesaplamalar arasındaki bu uyum seviyesi, sanal parçacıkları bilimdeki en kapsamlı şekilde doğrulanmış fikir haline getiriyor. Bu durum bazı fizikçileri şu soruyu sormaya itiyor: Matematiksel bir araç gerçek olabilir mi?
Bir Muhasebe Aracı
Sanal parçacıklar, fizikçilerin mikroskobik atom altı dünyada kuvvetlerin nasıl çalıştığını hesaplamak için kullandıkları araçtır. Kuvvetler ölçülebildikleri için gerçektir.
Ancak fizikçiler kuvvetleri doğrudan hesaplamaya çalışmak yerine, kısa ömürlü sanal parçacıkların kuvveti taşıdığı bir muhasebe sistemi kullanırlar.
Sanal parçacıklar sadece hesaplamaları daha yönetilebilir kılmakla kalmaz, aynı zamanda fizikte uzun süredir devam eden bir sorunu da çözer: Bir kuvvet boş uzayda nasıl etki eder?
Sanal parçacıklar, atom altı dünyanın doğal bulanıklığından yararlanır; eğer bu geçici parçacıklar yeterince kısa yaşarsa, kısa süreliğine boş uzaydan enerji "ödünç alabilirler". Enerji dengesindeki bu bulanıklık, bu kısa dengesizliği gizler ve sanal parçacıkların gerçek dünyayı etkilemesine olanak tanır.
Bu aracın en büyük avantajlarından biri, parçacıklar arasındaki kuvvetleri tanımlayan matematiksel işlemlerin diyagramlar olarak görselleştirilebilmesidir. Bunlar, sanal parçacıklarla oynanan bir top ping pongunun çöp adam çizgi filmleri gibi görünme eğilimindedir.
Feynman diyagramları olarak adlandırılan bu diyagramlar, mükemmel bir sezgisel çerçeve sunar, ancak aynı zamanda sanal parçacıklara yanıltıcı bir gerçeklik havası da verir.
Şaşırtıcı bir şekilde, bu sanal parçacık tabanlı hesaplama yöntemi, bilimdeki en kesin tahminlerden bazılarını üretir.
Gerçeklik Kontrolü
Tüm madde, atom adı verilen temel yapı taşlarından oluşur. Atomlar da kendi çekirdeğinde bulunan pozitif yüklü protonlar ve etraflarında dönen negatif yüklü elektronlardan meydana gelir.
Bir üniversitede fizik ve astronomi profesörü olarak, sıklıkla enstrümanlarımızda görülen elektronların ve protonların sanal parçacıklar alışveriş yaparak etkileştiği fikrine dayanan deneyler yapıyorum.
Yakın zamanda, hidrojen atomlarını bir elektron ışınıyla bombalayarak protonun boyutunu çok hassas bir şekilde ölçtük. Bu ölçüm, elektronların, elektromanyetik enerjinin parçacıkları olan sanal fotonları değiş tokuş ederek hidrojen atomunun merkezindeki protonu "hissettiği" varsayımına dayanır.
Fizikçiler, iki elektronun birbirini nasıl ittiğini olağanüstü bir hassasiyetle hesaplamak için sanal parçacıkları kullanırlar. Söz konusu kuvvetler, iki elektronun sanal foton değiş tokuşunun kümülatif etkisi olarak temsil edilir.
Bir vakumda birbirine çok yakın yerleştirilen iki metal plaka birbirini çeker; bu Casimir etkisi olarak bilinir. Fizikçiler, sanal parçacık matematiğini kullanarak plakaları birbirine çeken kuvveti doğru bir şekilde hesaplayabilirler.
Sanal parçacıklar gerçekten var olsun ya da olmasın, matematik gerçek dünyada araştırmacıların gözlemlediği her şeyi tam olarak tahmin eder.
Sanal parçacık araç setini kullanarak yapılan başka bir gizemli tahmin ise sözde Hawking radyasyonudur. Kara deliklerin kenarında sanal parçacık çiftleri oluştuğunda, bazen kara deliğin yerçekimi birini yakalar ve diğeri kaçar.
Bu ayrılma, kara deliğin yavaşça buharlaşmasına neden olur. Hawking radyasyonu henüz doğrudan gözlemlenmemiş olsa da, araştırmacılar yakın zamanda bunu dolaylı olarak gözlemlemişlerdir.
Faydalı Kurgu
Şimdi şu soruya geri dönelim: Matematiksel bir araç gerçek olabilir mi? Eğer bir kuvvetle ilgili her şeyi, sanki sanal parçacıklar tarafından taşınıyormuş gibi hayal ederek mükemmel bir şekilde tahmin edebiliyorsanız, bu parçacıklar gerçek olarak nitelendirilebilir mi? Kurgusal statülerinin bir önemi var mı?
Fizikçiler bu sorular üzerinde hala bölünmüş durumda. Bazıları "sadece sus ve hesapla" demeyi tercih ediyor; bu Feynman'ın ünlü sözlerinden biridir. Şimdilik, sanal parçacıklar parçacıkların nasıl davrandığını tanımlamanın en iyi yoludur. Ancak araştırmacılar, onlara hiç ihtiyaç duymayan alternatif yöntemler geliştiriyorlar.
Eğer başarılı olurlarsa, bu yaklaşımlar sanal parçacıkları tamamen ortadan kaldırabilir. Başarılı olsun ya da olmasın, alternatiflerin var olması bile sanal parçacıkların fiziksel bir gerçeğe göre faydalı bir kurgu olabileceğini düşündürüyor. Bu durum, bilimdeki önceki devrimlerin örüntüsüne de uyuyor; eter örneği akla geliyor.
Fizikçiler, ışık dalgalarının seyahat ettiği bir ortam olarak eteri icat etmişlerdi. Deneyler bu aracı kullanarak yapılan hesaplamalarla iyi uyum sağlıyordu, ancak gerçekte onu tespit edemiyorlardı. Sonunda Einstein'ın görelilik teorisi, eterin gereksiz olduğunu gösterdi.
Sanal parçacıklar, modern fiziğin çarpıcı bir paradoksudur. Var olmamaları gerekiyor, ancak mıknatısların gücünden kara deliklerin davranışına kadar her şeyi hesaplamak için vazgeçilmezdirler.
Derin bir ikilemi temsil ediyorlar: Bazen gerçekliğe dair en iyi içgörüler dikkatlice inşa edilmiş bir yanılsama yoluyla gelir. Sonuç olarak, sanal parçacıklar etrafındaki kafa karışıklığı, temel kuvvetleri anlamanın bedeli olabilir.
