Fotones virtuales, ¿qué los hace virtuales?

Question

La página de wikipedia " Fuerza de transporte ", dice:

La fuerza electromagnética puede describirse mediante el intercambio de fotones virtuales.

Lo del fotón virtual me desconcierta un poco. Entiendo que partículas virtuales se supone que son de corta duración, pero como los fotones viven durante cero unidades de tiempo propio, no veo cómo se puede utilizar su duración para distinguir entre virtual y no virtual.

Otra idea que tenía era que los fotones virtuales son sólo los asociados al campo electromagnético, los no virtuales no. Pero en este caso, no pude ver qué había de malo en esto: Si tengo un instrumento que detecta fotones, sólo está detectando las partículas portadoras de fuerza de las interacciones electromagnéticas entre él y la cosa que estoy usando para observar? (incluso si esa cosa está muy lejos)

¿Los fotones virtuales son simplemente fotones que no se observan? ¿O hay algún tipo de fotón que no está conectado con el campo electromagnético? ¿O algo más? ¿O tal vez no hay ninguna distinción concreta que hacer?

Answer 1

Las partículas virtuales aparecen cuando se quiere calcular las secciones transversales y las relaciones de ramificación de las interacciones de las partículas elementales. Esto se hace con la prescripción de Diagramas de Feynman :

Diagrama de Feynman de la aniquilación electrón-positrón

En el diagrama anterior las "patas" externas son partículas reales con los números cuánticos dados en la tabla del modelo estándar, incluyendo la masa.

La línea roja entre los puntos (vértices de interacción) puede considerarse o bien un electrón virtual que va hacia la derecha y en el punto de interacción se convierte en un positrón, ya que un electrón hacia atrás en el tiempo es un positrón. O un positrón que va hacia la izquierda y se convierte en un electrón (ya que un positrón hacia atrás en el tiempo es un electrón). Puede que no lo creas, pero esto se traduce en una fórmula matemática que da el valor de la sección transversal para la aniquilación e+ e- en dos gamma.

La partícula virtual intercambiada tiene los números cuánticos de la partícula real, por eso el nombre lleva, pero puede estar fuera de la cáscara de la masa: su cuatro momento no puntea en la masa al cuadrado.

Aquí hay diferentes diagramas de Feynman que entran en el cálculo de las secciones transversales de dispersión.

Las partículas intercambiadas entre los vértices son virtuales. Tienen todos los números cuánticos de su nombre, excepto la masa que está fuera de la cáscara de masa. El fotón se caracteriza por tener espín=1 y carga=0. El m=0 no es un atributo de un fotón virtual.

Answer 2

He aquí una respuesta de un físico que no es de partículas para complementar lo que La (ex) física de partículas profesional Anna V ha escrito .

Las "partículas reales" entran y salen de los diagramas de Feynman. Por lo tanto, en principio, pueden ser detectadas en un experimento - son las "terminales" de un diagrama de Feynman: puertos a través de los cuales podemos "ver" el sistema en su interior.

En cambio, la trayectoria de una partícula virtual comienza y termina dentro de un diagrama de Feynman. No tiene "extremos libres" colgando sobre los "límites" del diagrama y, por tanto, no es directamente medible. No podemos detectarlas en el experimento.

Es probable que nada de esto sea nuevo para ti. Todavía te queda la duda de qué realidad podemos atribuir a las partículas virtuales, si no podemos detectarlas directamente. Puedes pensar en las partículas virtuales de forma más literal, como le gustaba a Feynman, o puedes probar este enfoque: Personalmente me gusta pensar en ellas de forma un poco más abstracta como simplemente como términos matemáticos en una serie de perturbaciones .

Un buen punto de partida para visualizar esta esencia son los tipos de ideas que se exploran en los siguientes documentos:

• A. O. Barut y J. Kraus "Nonperturbative Quantum Electrodynamics: The Lamb Shift", Foundations of Physics, Vol. 13, No. 2, 1983

• A. Garrett Lisi, "Una solución de las ecuaciones Maxwell-Dirac en 3+1 dimensiones"

así como los trabajos del difunto Hilary Booth, de la Universidad Nacional de Australia. No se trata de una QED estándar y es muy especializada y artificiosa: piénsese en ella como una "Baby QED" ilustrativa para alguien (como yo) que no domina la teoría cuántica de campos. Consideramos aquí el sistema de un electrón, un protón (este último considerado como una partícula clásica, simplemente estableciendo un campo electrostático cuadrado inverso en un átomo de hidrógeno y los "fotones virtuales" que se intercambian entre ellos. Por supuesto, el electrón en el potencial clásico se describe simplemente mediante la primera ecuación de Dirac cuantificada. Ahora añadimos el campo electromagnético añadiendo las ecuaciones de Maxwell y acoplando el sistema de la siguiente manera:

$$\gamma^\mu\left(i \partial_\mu - q A_\mu\right) \psi + V \psi - \psi = 0$$

$$\partial_\nu F^{\nu\,\mu} = q\,\bar{\psi} \gamma^\mu \psi$$

$$F_{\mu\,\nu} = \partial_\mu A_\nu - \partial_\nu A_\mu$$

con la galga de Lorenz

$$\partial_\mu A^\mu = 0$$ .

La primera ecuación es la ecuación de Dirac, la segunda las ecuaciones de Maxwell con una distribución de carga/corriente (4-corriente) determinada por la densidad de probabilidad del electrón de Dirac. La tercera relaciona el tensor de Maxwell (que contiene el $\vec{E}$ et $\vec{B}$ ) al cuatro potencial, que se acopla de nuevo a la ecuación de Dirac a través de la "derivada covariante gauge". Así pues, tenemos un sistema no lineal acoplado bastante elegante, pero difícil de resolver.

En los documentos, las ecuaciones conducen a un problema de punto fijo $X=F(X)$ de un cierto operador integro-diferencial $F$ que es contractiva, por lo que la solución es el límite de la secuencia:

$$X_0,\, F(X_0),\, F^2(X_0),\,\cdots$$

y, por tanto, puede resolverse de forma no pertubada, por el principio del mapa de contracción y da una serie infinita de términos correspondientes a los pares virtuales también. Da una solución exacta que es una serie infinita, lo que un matemático llamaría la Serie Peano-Baker (véase Baake y Schlaegel, "The Peano Baker Series" y es lo que un físico teórico de partículas llamaría (creo) el Serie Dyson .

Ahora los términos de esta serie infinita son $X_0$ : La solución de Dirac para el átomo de hidrógeno y los términos de orden superior son operadores integrales iterados: estas iteraciones pueden considerarse como las perterbaciones provocadas por un "fotón virtual", el siguiente término implica fotones virtuales y la producción de pares virtuales seguida de la aniquilación de pares virtuales y así sucesivamente.

Las "partículas virtuales" en este punto de vista pueden considerarse simplemente como una "mnemotecnia" evocadora de la estructura de los términos matemáticos en la serie infinita.