¿Interacción atractiva de Coulomb como intercambio de partículas virtuales?

Question

He estado leyendo sobre los intercambios de partículas virtuales en los libros de física y en los posts de Physics SA, donde se establece una interpretación de partículas de la gravedad y la interacción de Coulomb. La imagen del Diagrama de Feynman (combinada con la imagen de la bola de nieve que un compañero aportó en un post relacionado) sirve para explicar la parte de la repulsión: modo grosero dos partículas en movimiento, un fotón/gravitón virtual, el cambio de momento induce movimientos opuestos ( $\Delta \vec p \ $ y $ \ -\Delta \vec p$ ). Sin embargo, ¿cómo podemos explicar la atracción (como analogía lúdica, si no en el formalismo)?

Answer 1

La respuesta corta es que el principio de incertidumbre de Heisenberg permite la atracción. Supongamos que tenemos dos cargas opuestas, y la de la izquierda emite un fotón virtual con momento dirigido hacia la izquierda. La carga de la izquierda comienza a moverse hacia la carga de la derecha. Ahora, ¿dónde está el fotón virtual? Su momento es algún valor exacto dirigido hacia la izquierda, así que clásicamente esperamos que en un momento posterior encontremos el fotón virtual en una nueva posición más a la izquierda de la posición original de la carga que lo emitió.

Pero debido a la HUP, si se encuentra en un estado de momento preciso, entonces su posición se vuelve infinitamente incierta. Por lo tanto, hay la misma posibilidad de encontrar la nueva posición del fotón de momento izquierdo a la derecha de donde fue emitido (es decir, donde se encuentra la otra carga) que de encontrarla a la izquierda. Y eso ocurre, la carga de la derecha puede absorber ese fotón virtual y su momento hacia la izquierda, y así las dos cargas se mueven la una hacia la otra.

Ahora hay un nuevo problema más extraño. ¿Qué es entonces lo que distingue entre atracción y repulsión? Parece que dos partículas tienen la misma posibilidad de hacer cualquiera de las dos cosas, independientemente de la carga. La resolución de esto en la QFT desafía la analogía con cualquier cosa con la que estemos familiarizados, y depende del hecho de que los estados de las partículas cuánticas se describen mediante una onda -en lugar de un conjunto de coordenadas como hacemos con las partículas clásicas. La paridad de la función de onda de nuestras dos cargas será par o impar, dependiendo de si las cargas tienen signo igual u opuesto, respectivamente. Cuando la función de onda del fotón virtual interfiere con la de las cargas, el patrón de interferencias constructivas y destructivas que resulta depende crucialmente de si la función de onda de las cargas es par o impar. En el caso par, hay más interferencias destructivas entre las dos cargas (semejantes) e interferencias constructivas fuera de esta región, lo que significa que las cargas tienen ahora más probabilidades de encontrarse en posiciones con una mayor separación. Lo contrario ocurre si las partículas tienen cargas opuestas.

El fenómeno mecánico cuántico que subyace al efecto macroscópico que observamos y describimos como atracción-repulsión está mucho más alejado de las concepciones clásicas del proceso de lo que cualquier físico en su sano juicio hubiera creído jamás. Para mí, mi primer encuentro con las ideas descritas anteriormente fue cuando realmente empecé a creer a Bohr, quien dijo famosamente: "Aquellos que no se escandalizan cuando se encuentran por primera vez con la teoría cuántica no pueden haberla entendido". En la QM no se entienden las cosas. Simplemente te acostumbras a ellas.