Partículas virtuales y leyes físicas

Question

Recientemente, estuve leyendo sobre la radiación Hawking en Breve historia del tiempo . Dice que en ningún punto todos los campos pueden ser cero y por lo tanto no hay nada como el espacio vacío (fluctuación cuántica, etc.). Ahora, la razon mencionada fue que las particulas virtuales(portadoras de fuerza) no pueden tener tanto una tasa precisa de cambio como una posicion precisa(Principio de Incertidumbre).

Entonces, mi pregunta es : Este vídeo dice que las partículas virtuales no siguen las leyes físicas normales. Entonces, ¿cómo podemos decir que obedecen el principio de incertidumbre?

Answer 1

La razón de muchas afirmaciones contradictorias sobre la naturaleza de las partículas virtuales es que a menudo se recurre a ellas para dar explicaciones heurísticas a fenómenos que surgen en el marco de la teoría cuántica de campos. Luego se intenta justificar esas explicaciones atribuyendo a las partículas virtuales ciertas propiedades que en realidad no poseen.

Qué son realmente las partículas virtuales:

Por definición, una partícula virtual es una línea interna en un diagrama de Feynman. Estos últimos se utilizan en la teoría cuántica de campos perturbativa para facilitar el cálculo de las expansiones en serie. Para ello, se dibujan esos diagramas, para los que cada línea y vértice (nudo) tiene una expresión matemática correspondiente precisa que hay que escribir. A este nivel del cálculo, no hay ninguna interpretación física de un diagrama de Feynman, el significado físico sólo se atribuye al resultado final del cálculo. Una partícula virtual, que no es más que una línea en un diagrama auxiliar, no tiene significado físico por sí misma.

Cómo se relacionan con cantidades físicamente significativas:

Como ya se ha mencionado, las partículas virtuales surgen dentro de diagramas en expansiones perturbativas de cantidades que uno calcula dentro de la teoría cuántica de campos. Una de estas cantidades sería la energía del vacío (de ahí la afirmación "no hay nada como el espacio vacío"), otras serían las tasas de desintegración de partículas o las secciones transversales de dispersión, y hay muchos otros ejemplos. Se puede pensar en las partículas virtuales como contribuciones matemáticas al resultado final del cálculo, pero nada más. Hay que tener cuidado de no llevar la analogía de las partículas demasiado lejos.

En cuanto a la confusión sobre su realidad:

Dado que ciertos fenómenos de la teoría cuántica (de campos) pueden parecer contraintuitivos (por ejemplo, la energía del vacío), uno se siente más cómodo con una imagen bonita y sencilla que invocar para explicarlos. Esto es especialmente cierto cuando se explica a profanos, que es esencialmente lo que hace la divulgación científica (como Breve historia del tiempo ). Aquí es donde entran las partículas virtuales: puesto que contribuyen matemáticamente a la descripción de estos fenómenos, también se utilizan en las explicaciones heurísticas. Es fácil imaginar que una partícula se intercambia, o que un par de partículas se crean y se aniquilan al cabo de poco tiempo. Pero esto no significa que ocurra en la realidad. Es una imagen bonita y sencilla, nada más. Pero si uno quiere llegar a tomarse en serio su realidad, necesita invocar conceptos adicionales para justificarlo. Por eso se suele recurrir a la incertidumbre energía/tiempo para explicar la existencia de partículas virtuales.

Answer 2

He aquí una sencilla Diagrama de Feynman.

dispersión elástica de electrones si el tiempo es el eje y,( dispersión elástica de positrones si el tiempo es el eje x)

Las partículas reales son las entrantes y las salientes que pueden medirse en un experimento en el laboratorio. El fotón intercambiado se denomina virtual.

La diferencia entre las partículas reales y las partículas virtuales en la definición matemática es que las partículas virtuales no tienen masa, es decir, tienen todos los números cuánticos que identifican a la partícula por su nombre, pero no la masa que puede ser positiva negativa o cero según la integración. Las partículas reales, excepto sus números cuánticos, también tienen una masa que las identifica.

Esto tiene que ser así porque el diagrama de Feynman es una abreviatura simbólica de una integración que tiene lugar sobre todas las variables internas que identifican la sección transversal de la dispersión de dos electrones en dos electrones.

En un sentido muy real, lo que es real y lo que es virtual depende de los valores límite de nuestro cálculo. En este diagrama de electrón positrón aniquilándose en dos quarks y un gluón

el electrón y el positrón son partículas reales conocidas en la envoltura de masa, el fotón es virtual, y en un sentido estricto del diagrama de feynman ya que los quarks y los gluones no pueden ser libres sino que tienen que unirse con otros quarks y gluones, el saliente también debería considerarse virtual. Ahí sustituimos el concepto de un gluón jets por dos quarks jets, que se pueden medir bien en el laboratorio y bautizamos al saliente como tres reales.

La ley física normal que violan las partículas virtuales es la de la envoltura de masa, como ya se ha explicado. Todas las demás cantidades que identifican a las partículas están ahí , por eso podemos tener electrones virtuales y fotones virtuales, es sólo la masa la que no se respeta dentro de los límites de los cálculos para las cantidades de interés en una medición física.

El Principio de Incertidumbre de Heisenberg surge cuando contemplamos estados bajos en energía, y existen diagramas en los que el vacío se compone de partículas virtuales que se crean y aniquilan, porque nunca podemos medir la energía cero debido a la incertidumbre de Heisenberg. No hay nada que restrinja la masa para el HUP, así que no hay conflicto en describir situaciones con tales partículas virtuales. Hay pocas situaciones en las que el efecto de las fluctuaciones del vacío pueda medirse, una de ellas es en la radiación de Hawking. Otra es la Efecto Casimir .

Editar después de los comentarios :

Esta cuestión sobre el significado de "virtual" surge una y otra vez, y creo que la confusión se debe a la tendencia de la mayoría de nosotros a mezclar tres marcos diferentes:

1) Un marco son los diagramas simbólicos de Feynman,

2) el segundo es el marco matemático de las integrales dentro de las integrales en cualquier cálculo de sección transversal, etc,

3) y el tercero es el marco de medición/físico/laboratorio.

Con gran ingenio Feynman tomó las complicadas integraciones en los cálculos de dispersión antes de su "invención" de los diagramas, e hizo una correspondencia uno a uno del marco matemático a un sistema consistente de diagramas con reglas para convertir a integración. Esto simplificó enormemente la configuración del programa para los cálculos .

Después viene la identificación de las parcelas simbólicas en el marco del laboratorio/medición. Para ello, se toman los valores iniciales del experimento considerado y se predicen los valores del resultado del experimento.

Los estados inicial y final son los que se miden en el laboratorio y clavan las matemáticas en la realidad/experimento, por lo que las líneas entrantes y salientes de los diagramas se denominan "reales".

Las líneas intermedias se llaman partículas virtuales porque, como una imagen óptica virtual, son un análogo de las partículas reales porque llevan todos los números cuánticos de las partículas reales excepto la masa, son cáscara sin masa.

Por lo general, los tres marcos no se separan lógicamente porque no hay necesidad, no hay problema si uno es descuidado a la hora de hablar de matemáticas o diagramas o mediciones de laboratorio. Los cálculos encajan y ya está.

La confusión surge al pensar en el vacío y en la radiación de Hawking.

Podemos dibujar diagramas de Feynman que corresponden al punto cero de energía con partículas virtuales sin líneas de entrada y salida. Los valores límite vienen dados por el principio de Incertidumbre de Heisenberg que es la correspondencia con la realidad física ( no ha sido invalidado como postulado para la modelización matemática de la física de partículas elementales con la teoría cuántica de campos). Así tenemos los tres marcos.

Cuando se pregunta si puede salir alguna partícula real, es una pregunta para el primer y segundo marco, los diagramas y los cálculos matemáticos asociados. La respuesta allí es sí, si se puede suministrar energía por encima de la incertidumbre HUP, y eso es lo que permite la hipótesis de la radiación de Hawking para los agujeros negros. Sigue siendo en los dos primeros marcos, una predicción matemática, hasta que algún experimento ingenioso sea capaz de mostrar la radiación procedente de un agujero negro.