Partícula virtual

Una partícula virtual es una partícula transitoria teórica que exhibe algunas de las características de una partícula ordinaria, mientras que su existencia está limitada por el principio de incertidumbre , que permite que las partículas virtuales emerjan espontáneamente del vacío en intervalos cortos de tiempo y espacio. ^[1] El concepto de partículas virtuales surge en la teoría de perturbaciones de la teoría cuántica de campos (QFT), donde las interacciones entre partículas ordinarias se describen en términos de intercambios de partículas virtuales. Un proceso que involucra partículas virtuales puede describirse mediante una representación esquemática conocida como diagrama de Feynman , en el que las partículas virtuales están representadas por líneas internas. ^{[2] [3]}

Las partículas virtuales no necesariamente tienen la misma masa que la partícula ordinaria correspondiente, aunque siempre conservan la energía y el momento . Cuanto más se acerquen sus características a las de las partículas ordinarias, más tiempo existirá la partícula virtual. Son importantes en la física de muchos procesos, incluida la dispersión de partículas y las fuerzas de Casimir . En la teoría cuántica de campos, las fuerzas (como la repulsión o atracción electromagnética entre dos cargas) pueden considerarse como el resultado del intercambio de fotones virtuales entre las cargas. Los fotones virtuales son las partículas de intercambio para la interacción electromagnética .

El término es algo impreciso y está definido de forma vaga, ya que se refiere a la visión de que el mundo está formado por "partículas reales". Las "partículas reales" se entienden mejor como excitaciones de los campos cuánticos subyacentes. Las partículas virtuales también son excitaciones de los campos subyacentes, pero son "temporales" en el sentido de que aparecen en los cálculos de interacciones, pero nunca como estados asintóticos o índices de la matriz de dispersión . La precisión y el uso de partículas virtuales en los cálculos está firmemente establecido, pero como no se pueden detectar en experimentos, decidir cómo describirlas con precisión es un tema de debate. ^[4] Aunque se usan ampliamente, de ninguna manera son una característica necesaria de la QFT, sino más bien son conveniencias matemáticas, como lo demuestra la teoría de campos en red , que evita el uso del concepto por completo.

El concepto de partículas virtuales surge en la teoría de perturbaciones de la teoría cuántica de campos , un esquema de aproximación en el que las interacciones (en esencia, fuerzas) entre partículas reales se calculan en términos de intercambios de partículas virtuales. Dichos cálculos se realizan a menudo utilizando representaciones esquemáticas conocidas como diagramas de Feynman , en los que las partículas virtuales aparecen como líneas internas. Al expresar la interacción en términos del intercambio de una partícula virtual con cuatro momentos q , donde q está dado por la diferencia entre los cuatro momentos de las partículas que entran y salen del vértice de interacción, tanto el momento como la energía se conservan en los vértices de interacción del diagrama de Feynman. ^{[5] : 119}

Una partícula virtual no obedece con precisión la relación energía-momento m ² c ⁴ = E ² − p ² c ² . Su energía cinética puede no tener la relación habitual con la velocidad . Puede ser negativa. ^{[6] : 110} Esto se expresa mediante la frase capa fuera de masa . ^{[5] : 119} La amplitud de probabilidad de que exista una partícula virtual tiende a cancelarse por interferencia destructiva en distancias y tiempos más largos. Como consecuencia, un fotón real no tiene masa y, por lo tanto, solo tiene dos estados de polarización, mientras que uno virtual, al ser efectivamente masivo, tiene tres estados de polarización.

El efecto túnel cuántico puede considerarse una manifestación de los intercambios de partículas virtuales. ^{[7] : 235} El rango de fuerzas transportadas por partículas virtuales está limitado por el principio de incertidumbre, que considera la energía y el tiempo como variables conjugadas; por lo tanto, las partículas virtuales de mayor masa tienen un rango más limitado. ^[8]

En las ecuaciones de la física, escritas en las notaciones matemáticas habituales, no hay ninguna distinción entre partículas virtuales y reales. Las amplitudes de los procesos con una partícula virtual interfieren con las amplitudes de los procesos sin ella, mientras que para una partícula real los casos de existencia y no existencia dejan de ser coherentes entre sí y ya no interfieren. En la teoría cuántica de campos, las partículas reales se consideran excitaciones detectables de los campos cuánticos subyacentes. Las partículas virtuales también se consideran excitaciones de los campos subyacentes, pero aparecen solo como fuerzas, no como partículas detectables. Son "temporales" en el sentido de que aparecen en algunos cálculos, pero no se detectan como partículas individuales. Por lo tanto, en términos matemáticos, nunca aparecen como índices de la matriz de dispersión , es decir, nunca aparecen como entradas y salidas observables del proceso físico que se está modelando.

Existen dos formas principales en las que la noción de partículas virtuales aparece en la física moderna. Aparecen como términos intermedios en los diagramas de Feynman , es decir, como términos en un cálculo perturbativo. También aparecen como un conjunto infinito de estados que se deben sumar o integrar en el cálculo de un efecto semi-no perturbativo. En este último caso, a veces se dice que las partículas virtuales contribuyen a un mecanismo que media el efecto, o que el efecto ocurre a través de las partículas virtuales. ^{[5] : 118}

Existen muchos fenómenos físicos observables que surgen de interacciones que involucran partículas virtuales. En el caso de las partículas bosónicas que exhiben masa en reposo cuando son libres y reales, las interacciones virtuales se caracterizan por el alcance relativamente corto de la interacción de fuerza producida por el intercambio de partículas. El confinamiento también puede conducir a un alcance corto. Ejemplos de tales interacciones de corto alcance son las fuerzas fuerte y débil, y sus bosones de campo asociados.

En el caso de las fuerzas gravitacionales y electromagnéticas, la masa en reposo cero de la partícula bosónica asociada permite que las fuerzas de largo alcance sean mediadas por partículas virtuales. Sin embargo, en el caso de los fotones, la transferencia de potencia e información por partículas virtuales es un fenómeno de alcance relativamente corto (que existe solo dentro de unas pocas longitudes de onda de la perturbación del campo que transporta la información o la potencia transferida), como se observa, por ejemplo, en el alcance típicamente corto de los efectos inductivos y capacitivos en la zona de campo cercano de las bobinas y las antenas.

Algunas interacciones de campo que pueden verse en términos de partículas virtuales son:

• La fuerza de Coulomb (fuerza eléctrica estática) entre cargas eléctricas. Es causada por el intercambio de fotones virtuales . En un espacio tridimensional simétrico, este intercambio da como resultado la ley del cuadrado inverso de la fuerza eléctrica. Como el fotón no tiene masa, el potencial de Coulomb tiene un rango infinito.
• El campo magnético entre dipolos magnéticos . Es causado por el intercambio de fotones virtuales . En un espacio tridimensional simétrico, este intercambio da como resultado la ley del cubo inverso para la fuerza magnética. Como el fotón no tiene masa, el potencial magnético tiene un rango infinito. Aunque el rango es infinito, el lapso de tiempo permitido para la existencia de un fotón virtual no es infinito.
• Inducción electromagnética . Este fenómeno transfiere energía hacia y desde una bobina magnética a través de un campo (electro)magnético cambiante.
• La fuerza nuclear fuerte entre quarks es el resultado de la interacción de gluones virtuales . El residuo de esta fuerza fuera de los tripletes de quarks (neutrón y protón) mantiene unidos a los neutrones y protones en los núcleos, y se debe a mesones virtuales como el mesón pi y el mesón rho .
• La fuerza nuclear débil es el resultado del intercambio de bosones virtuales W y Z.
• La emisión espontánea de un fotón durante la desintegración de un átomo excitado o de un núcleo excitado; dicha desintegración está prohibida por la mecánica cuántica ordinaria y requiere la cuantificación del campo electromagnético para su explicación.
• El efecto Casimir , donde el estado fundamental del campo electromagnético cuantificado provoca atracción entre un par de placas metálicas eléctricamente neutras.
• La fuerza de van der Waals , que se debe en parte al efecto Casimir entre dos átomos.
• Polarización del vacío , que implica la producción de pares o la desintegración del vacío , que es la producción espontánea de pares partícula-antipartícula (como electrón-positrón).
• Desplazamiento de cordero de las posiciones de los niveles atómicos.
• La impedancia del espacio libre , que define la relación entre la intensidad del campo eléctrico | E | y la intensidad del campo magnético | H | : Z ₀ = | E | / | H | . ^[9]
• Gran parte del llamado campo cercano de las antenas de radio, donde los efectos magnéticos y eléctricos de la corriente cambiante en el cable de la antena y los efectos de carga de la carga capacitiva del cable pueden ser (y generalmente son) contribuyentes importantes al campo EM total cerca de la fuente, pero ambos efectos son efectos dipolares que decaen con el aumento de la distancia desde la antena mucho más rápidamente que la influencia de las ondas electromagnéticas "convencionales" que están "lejos" de la fuente. ^[a] Estas ondas de campo lejano, para las que E es (en el límite de larga distancia) igual a cB , están compuestas de fotones reales. Los fotones reales y virtuales se mezclan cerca de una antena, y los fotones virtuales son responsables solo de los efectos magnético-inductivos y eléctricos-dipolares transitorios "extra", que causan cualquier desequilibrio entre E y cB . A medida que aumenta la distancia desde la antena, los efectos de campo cercano (como campos dipolares) mueren más rápidamente, y solo los efectos "radiativos" que se deben a los fotones reales permanecen como efectos importantes. Aunque los efectos virtuales se extienden hasta el infinito, su intensidad de campo disminuye como 1/ r ² en lugar del campo de ondas EM compuesto de fotones reales, que disminuye como 1/ r . ^{[b] [c]}

La mayoría de estos tienen efectos análogos en la física del estado sólido ; de hecho, a menudo se puede obtener una mejor comprensión intuitiva al examinar estos casos. En semiconductores , los roles de los electrones, positrones y fotones en la teoría de campos son reemplazados por electrones en la banda de conducción , huecos en la banda de valencia y fonones o vibraciones de la red cristalina. Una partícula virtual está en un estado virtual donde la amplitud de probabilidad no se conserva. Günter Nimtz ^[10] y Alfons A. Stahlhofen presentaron ejemplos de fonones, fotones y electrones virtuales macroscópicos en el caso del proceso de tunelización . ^[11]

El cálculo de amplitudes de dispersión en física teórica de partículas requiere el uso de algunas integrales bastante grandes y complicadas sobre un gran número de variables. Sin embargo, estas integrales tienen una estructura regular y pueden representarse como diagramas de Feynman . El atractivo de los diagramas de Feynman es fuerte, ya que permiten una presentación visual simple de lo que de otro modo sería una fórmula bastante arcana y abstracta. En particular, parte del atractivo es que las patas salientes de un diagrama de Feynman se pueden asociar con partículas reales, en capas . Por lo tanto, es natural asociar las otras líneas en el diagrama también con partículas, llamadas "partículas virtuales". En términos matemáticos, corresponden a los propagadores que aparecen en el diagrama.

En la imagen adyacente, las líneas continuas corresponden a partículas reales (de momento p ₁ y así sucesivamente), mientras que la línea de puntos corresponde a una partícula virtual que lleva momento k . Por ejemplo, si las líneas continuas correspondieran a electrones que interactúan mediante la interacción electromagnética , la línea de puntos correspondería al intercambio de un fotón virtual . En el caso de nucleones que interactúan , la línea de puntos sería un pión virtual . En el caso de quarks que interactúan mediante la fuerza fuerte , la línea de puntos sería un gluón virtual , y así sucesivamente.

Las partículas virtuales pueden ser mesones o bosones vectoriales , como en el ejemplo anterior; también pueden ser fermiones . Sin embargo, para preservar los números cuánticos, la mayoría de los diagramas simples que involucran intercambio de fermiones están prohibidos. La imagen de la derecha muestra un diagrama permitido, un diagrama de un bucle . Las líneas sólidas corresponden a un propagador de fermiones, las líneas onduladas a bosones.

En términos formales, se considera que una partícula es un estado propio del operador de número de partículas a ^† a , donde a es el operador de aniquilación de partículas y a ^† el operador de creación de partículas (a veces llamados colectivamente operadores de escalera ). En muchos casos, el operador de número de partículas no conmuta con el hamiltoniano del sistema. Esto implica que el número de partículas en un área del espacio no es una cantidad bien definida sino que, como otros observables cuánticos , está representado por una distribución de probabilidad . Dado que no es seguro que estas partículas existan, se denominan partículas virtuales o fluctuaciones de vacío de energía de vacío . En cierto sentido, pueden entenderse como una manifestación del principio de incertidumbre tiempo-energía en el vacío. ^[12]

Un ejemplo importante de la "presencia" de partículas virtuales en el vacío es el efecto Casimir ^[13] . En este caso, la explicación del efecto requiere que se puedan sumar las energías totales de todas las partículas virtuales en el vacío. Por lo tanto, aunque las partículas virtuales en sí no son directamente observables en el laboratorio, sí dejan un efecto observable: su energía de punto cero da lugar a fuerzas que actúan sobre placas metálicas o dieléctricos adecuadamente dispuestos ^[14] . Por otra parte, el efecto Casimir puede interpretarse como la fuerza relativista de van der Waals ^[15] .

Las partículas virtuales suelen describirse popularmente como si se tratase de pares, una partícula y una antipartícula que pueden ser de cualquier tipo. Estos pares existen durante un tiempo extremadamente breve y luego se aniquilan mutuamente o, en algunos casos, el par puede separarse mediante energía externa para evitar la aniquilación y convertirse en partículas reales, como se describe a continuación.

Esto puede ocurrir de dos maneras. En un marco de referencia acelerado , las partículas virtuales pueden parecer reales para el observador acelerado; esto se conoce como el efecto Unruh . En resumen, el vacío de un marco estacionario parece, para el observador acelerado, un gas cálido de partículas reales en equilibrio termodinámico .

Otro ejemplo es la producción de pares en campos eléctricos muy fuertes, a veces llamada desintegración en vacío . Si, por ejemplo, un par de núcleos atómicos se fusionan para formar muy brevemente un núcleo con una carga mayor que aproximadamente 140 (es decir, mayor que aproximadamente la inversa de la constante de estructura fina , que es una cantidad adimensional ), la intensidad del campo eléctrico será tal que será energéticamente favorable ^{[ se necesita más explicación ]} para crear pares positrón-electrón a partir del vacío o mar de Dirac , con el electrón atraído al núcleo para aniquilar la carga positiva. Esta amplitud de creación de pares fue calculada por primera vez por Julian Schwinger en 1951.

Como consecuencia de la incertidumbre de la mecánica cuántica , cualquier objeto o proceso que exista durante un tiempo limitado o en un volumen limitado no puede tener una energía o un momento definidos con precisión. Por esta razón, las partículas virtuales (que existen solo temporalmente, ya que se intercambian entre partículas ordinarias) no suelen obedecer a la relación masa-capa ; cuanto más tiempo exista una partícula virtual, más se aproximan la energía y el momento a la relación masa-capa.

La vida útil de las partículas reales suele ser mucho más larga que la de las partículas virtuales. La radiación electromagnética consiste en fotones reales que pueden viajar años luz entre el emisor y el absorbedor, pero la atracción y repulsión electrostática (coulómbica) es una fuerza de alcance relativamente corto ^{[ dudoso – discutir ]} que es una consecuencia del intercambio de fotones virtuales ^{[ cita requerida ]} .

• ¿Existen partículas virtuales que aparecen y desaparecen constantemente?  – Gordon Kane, director del Centro de Física Teórica de Michigan en la Universidad de Michigan en Ann Arbor, propone una respuesta en el sitio web Scientific American .
• Partículas virtuales: ¿Qué son?
• D Kaiser (2005) American Scientist 93 p. 156 artículo popular