¿Qué son realmente las partículas virtuales?

Question

¿Qué son en realidad partículas virtuales ? En varios lugares de la SE de física, documentales y titulares de noticias ocasionales, veo el término "partículas virtuales", normalmente fotones virtuales.

He tratado de investigar, pero no estoy en un nivel de comprensión todavía para ser capaz de entender lo que está pasando, si alguien puede explicar de una manera sencilla que sería genial.

Answer 1

Esta es la tabla de partículas en la que el modelo estándar de la física de las partículas elementales:

Estas partículas se caracterizan de forma completa y única por su masa y números cuánticos ...como el giro, el sabor, la carga...

El modelo estándar es un modelo matemático basado en un Lagrangiano que contiene las interacciones de todas estas partículas, y está enmarcado en las cuatro dimensiones de la relatividad especial. Esto significa que la masa de cada partícula, llamada masa en reposo (porque es la masa invariante que tiene la partícula en su marco de reposo) en el marco de energía-momento es dado por :

$$m_0^2c^2 = \left(\frac Ec\right)^2 - ||\mathbf p||^2$$ en unidades naturales donde $c= 1,$ $$m_0^2 = E^2 -||\mathbf p||^2$$

El Lagrangiano del modelo estándar permite calcular las secciones transversales y los tiempos de vida de las partículas elementales y sus interacciones, utilizando los diagramas de Feynman, que son una representación icónica de las integrales complicadas:

En este modelo sólo son medibles y observables las líneas externas, y las partículas entrantes y salientes están en la envoltura de masa. Las líneas internas en los diagramas llevan sólo los números cuánticos de la partícula nombrada intercambiada, en este ejemplo un fotón virtual. Estos "fotones" en vez de tener una masa de cero, como la tienen cuando se miden/observan tienen una masa variable impuesta por la integral bajo la cual tienen "existencia". La función de la línea virtual es mantener las reglas de conservación de los números cuánticos y ayudar como mnemotecnia. No representa una "partícula" que se pueda medir, sino una función necesaria para el cálculo de las secciones transversales y los tiempos de vida según los límites de integración que entran en el problema estudiado.

p.d. mi respuesta a esta otra pregunta puede ser relevante para enmarcar lo que una partícula es .

Answer 2

Una partícula virtual es un modo en el campo que no obedece la relación de dispersión para una onda que viaja libremente. Un ejemplo de esta relación entre la frecuencia angular y el vector de onda es: $$c^2\omega^2 = \left(\frac{mc}{\hbar}\right)^2 + \mathbf{k}^2,$$ y la relación equivalente entre energía y momento. Una onda que no obedece la relación de dispersión también se describe como "cáscara sin masa". Un ejemplo de un campo compuesto enteramente por fotones virtuales es el potencial de Coulomb producido por una carga puntual en reposo - todos los fotones tienen frecuencia cero (invariable), y la densidad de modos es proporcional a $1/\mathbf{k}^2$ . Es decir: $$\frac{q}{4\pi r} = \int -\frac{q}{\mathbf{k}^2} \frac{\operatorname{e}^{i\mathbf{k}\cdot \mathbf{r}}}{\left[2\pi\right]^3}\operatorname{d}^3k.$$ Obsérvese cómo los fotones virtuales que componen el potencial de Coulomb tampoco cumplen el requisito de la cáscara de que el campo eléctrico sea perpendicular al número de onda - eso es porque el requisito de perpendicularidad proviene de la ley de Gauss en ausencia de carga, y este es un campo que sólo se produce cuando hay una carga.

En un ejemplo más sencillo, imaginemos una cuerda fijada en ambos extremos que soporta ondas con velocidad $v$ . Ahora imagina que tiras de la cuerda hacia arriba en un punto, haciendo que sean dos líneas rectas a cada lado del tirón en lugar de una línea recta. Mientras la cuerda esté sujeta, su desviación está compuesta por fonones virtuales porque la descomposición de Fourier de la forma de la cuerda no obedece a las ecuaciones de movimiento de la cuerda libre (de ahí vienen las relaciones de dispersión, las ecuaciones de movimiento). Una vez que se suelta la cuerda, todos esos fonones virtuales se convierten en "reales" cuando la cuerda empieza a vibrar. En este ejemplo, la fuerza externa ejercida sobre la cuerda es como la carga de la partícula, por lo que una verdadera aniquilación partícula-antipartícula requeriría que las fuerzas que actúan en direcciones opuestas fueran rápidamente atraídas por la cuerda y liberaran ondas en el proceso.

Así, se podría pensar en los fotones "reales" como ondas viajeras que obedecen a las ecuaciones de Maxwell en ausencia de cargas. Los fotones virtuales son los que se necesitan para describir el campo cuando hay cargas.

Answer 3

No puedo mejorar lo anterior, pero puedo ilustrar algo de otra naturaleza existencial. La pregunta "¿Qué son realmente las partículas virtuales?" es contradictoria, ya que no hay partículas virtuales reales. Las partículas virtuales son una manifestación de la teoría cuántica de campos perturbadores. Las líneas internas en los diagramas de Feynman son propagadores con una suma sobre el momento o la energía. Como sabemos por el cálculo elemental, una variable de integración es una variable ficticia. En muchos sentidos, lo mismo ocurre con las partículas virtuales. Las partículas virtuales son una manifestación de nuestro formalismo. En muchos sentidos son virtuales porque son una construcción mental. Son realmente artilugios que empleamos para resolver problemas.

Answer 4

Una partícula real o simplemente una partícula se define por tener una masa $m$ que cumple con $m^2 = E^2 -\vec{p}^2$ ( $c=1$ ) para un determinado $E$ , $\vec{p}$ . Por lo tanto, existe una relación para $E$ y $\vec{p}$ y se dice que tales partículas están en su cáscara de masa(parcela $E=\pm \sqrt{m^2+\vec{p}^2}$ para la cáscara). Por el contrario, una partícula virtual no cumple esta relación y no hay conexión entre $E$ y $\vec{p}$ a través de su masa, se dice que está fuera de su masa-caparazón.

El concepto de partículas virtuales es una interpretación de los estados intermedios en los procesos de dispersión en la teoría cuántica de campos que no obedecen $m^2 = E^2-\vec{p}^2$ . Sin embargo, existe otra interpretación que se utilizó en los primeros tiempos de la teoría cuántica de campos y que hoy se utiliza menos por razones de simetría. Se trata de permitir la violación de la conservación de la energía para los estados intermedios en los procesos de dispersión. Ahora, se puede fijar $m^2=E^2-\vec{p}^2$ y restablece que todas las partículas venideras son reales.

Así que la cuestión de las partículas virtuales es del mismo tipo que la cuestión de cómo interpretar las mediciones en la mecánica cuántica: Uno tiene un concepto teórico que da los resultados correctos, pero no hay análogos para este concepto en nuestro mundo macroscópico y por lo tanto no somos capaces de entender intuitivamente lo que está pasando. Sin embargo, la gente se imagina interpretaciones vívidas sobre lo que realmente está ocurriendo más allá de nuestra vista. Lo curioso es que no se puede demostrar que ninguna interpretación sea correcta o incorrecta, sino que simplemente pueden gustar o disgustar debido a los favores personales.

Answer 5

Esto es una fuente de mucha confusión. Antes de responder a qué es una partícula virtual, probablemente habría que discutir qué es una partícula. Ello se debe a que la palabra partícula no se ajusta especialmente bien a la naturaleza microscópica de la materia, que son los campos cuánticos. Una partícula clásica macroscópica tiene una posición, un momento y una energía bien definidos en un momento determinado, pero el campo cuántico que describe la materia necesariamente no los tiene.

Piensa en un acelerador de partículas. Hay un vacío enorme y las partículas viajan libremente hasta que interactúan muy brevemente en un punto caliente. Los estados cuánticos libres entrantes y salientes se propagan conservando el momento y la energía, por ejemplo (normalmente se consideran soluciones de onda plana y se dice que están en la cáscara de masa). Tiene sentido hablar, por ejemplo, de una partícula de 245GeV. Así, en la teoría de la dispersión, estos estados entrantes y salientes se denominan partículas (y quizás de ahí viene el nombre de partícula, ya que se parecen más a las partículas clásicas cuando son libres).

Sin embargo, durante la interacción, todo es un lío. No es posible identificar fácilmente las partículas a partir de sus soluciones. Sin embargo, sabemos exactamente cómo deben propagarse estos campos y esa matemática puede formularse mediante diagramas de Feynman. Dos electrones, por ejemplo, pueden intercambiar un fotón. Este fotón está en el punto caliente y no puede ser medido nunca. Está dentro del diagrama de Feynman y es lo que normalmente se llama una partícula virtual.

Ahora, lo que acabo de escribir, es sólo una definición para las partículas en el contexto de la teoría de la dispersión. Hay muchas otras en el contexto de otras teorías y se utilizan para ayudar a pensar o al menos para nombrar las cosas. El problema no es que haya tantas definiciones, sino que el problema es realmente que la partícula clásica no encaja tan bien en la mecánica cuántica.

Por ejemplo, utilizando estrictamente esta definición, un electrón en un átomo de hidrógeno se clasificaría como virtual ya que está constantemente intercambiando fotones virtuales con los núcleos y sólo el fotón que lo mide debería ser real. Sin embargo, en la teoría del estado sólido y en la química cuántica, es muy común hablar de ese electrón del hidrógeno 1s como una partícula. También se puede hacer el estado básico del hidrógeno en el vacío, y hablar de agujeros (el electrón salió del orbital 1s) y electrones (el electrón en algún otro orbital). He omitido el prefijo quasi aquí, ya que no se utiliza a menudo en la jerga normal. Es decir, la palabra electrón (o partícula para el caso) depende mucho del contexto.

Si me preguntan si las partículas virtuales son reales y me obligan a responder con una palabra, diría que sí. Aclararía que son tan reales como las partículas regulares (en la definición de dispersión) y nuestra incapacidad para caracterizarlas durante las interacciones no cambia eso. Además, hay que añadir que la realidad de cualquier cosa es siempre una discusión metafísica.