En la física cuántica , una fluctuación cuántica (o fluctuación estado de vacío o fluctuación de vacío ) es el cambio aleatorio temporal en la cantidad de energía en un punto en el espacio , [2] según lo prescrito por Werner Heisenberg 's principio de incertidumbre . Son pequeñas fluctuaciones aleatorias en los valores de los campos que representan partículas elementales, como los campos eléctricos y magnéticos que representan la fuerza electromagnética transportada por los fotones , los campos W y Z que transportan la fuerza débil , ycampos de gluones que llevan la fuerza fuerte . [3] Las fluctuaciones de vacío aparecen como partículas virtuales , que siempre se crean en pares partícula-antipartícula. [4] Dado que se crean espontáneamente sin una fuente de energía, se dice que las fluctuaciones del vacío y las partículas virtuales violan la conservación de la energía . Esto es teóricamente permisible porque las partículas se aniquilan entre sí dentro de un límite de tiempo determinado por el principio de incertidumbre, por lo que no son directamente observables. [4] [3] El principio de incertidumbre establece que la incertidumbre en energía y tiempo se puede relacionar por [5] , dónde 1/2ħ ≈5,27286 × 10 −35 Js. Esto significa que pares de partículas virtuales con energía y vida más corta que se crean y aniquilan continuamente en el espacio vacío. Aunque las partículas no son directamente detectables, los efectos acumulativos de estas partículas se pueden medir. Por ejemplo, sin fluctuaciones cuánticas, la masa y la carga "desnudas" de las partículas elementales serían infinitas; A partir de la teoría de la renormalización , el efecto protector de la nube de partículas virtuales es responsable de la masa finita y la carga de las partículas elementales. Otra consecuencia es el efecto Casimir . Una de las primeras observaciones que fue evidencia de las fluctuaciones del vacío fue el desplazamiento de Lamb en el hidrógeno. En julio de 2020, los científicos informaron que, por primera vez, midieron que las fluctuaciones del vacío cuántico pueden influir en el movimiento de objetos macroscópicos a escala humana midiendo correlaciones por debajo del límite cuántico estándar entre la incertidumbre de posición / momento de los espejos de LIGO y el número de fotones / incertidumbre de fase de la luz que reflejan. [6] [7] [8]
Fluctuaciones de campo
En la teoría cuántica de campos , los campos experimentan fluctuaciones cuánticas. Se puede hacer una distinción razonablemente clara entre fluctuaciones cuánticas y fluctuaciones térmicas de un campo cuántico (al menos para un campo libre; para los campos que interactúan, la renormalización complica sustancialmente las cosas). Se puede ver una ilustración de esta distinción al considerar los campos cuánticos y clásicos de Klein-Gordon: [9] Para el campo de Klein-Gordon cuantificado en el estado de vacío , podemos calcular la densidad de probabilidad de que observaríamos una configuraciónen un tiempo t en términos de su transformada de Fourier ser - estar
Por el contrario, para el campo clásico de Klein-Gordon a temperatura distinta de cero, la densidad de probabilidad de Gibbs de que observaríamos una configuración a la vez es
Estas distribuciones de probabilidad ilustran que todas las configuraciones posibles del campo son posibles, con la amplitud de las fluctuaciones cuánticas controladas por la constante de Planck. , así como la amplitud de las fluctuaciones térmicas está controlada por , donde k B es la constante de Boltzmann . Tenga en cuenta que los siguientes tres puntos están estrechamente relacionados:
- La constante de Planck tiene unidades de acción (julios-segundos) en lugar de unidades de energía (julios),
- el kernel cuántico es en vez de (el núcleo cuántico no es local desde el punto de vista clásico del núcleo de calor , pero es local en el sentido de que no permite la transmisión de señales), [ cita requerida ]
- el estado de vacío cuántico es invariante de Lorentz (aunque no manifiestamente en lo anterior), mientras que el estado térmico clásico no lo es (la dinámica clásica es invariante de Lorentz, pero la densidad de probabilidad de Gibbs no es una condición inicial invariante de Lorentz).
Podemos construir un campo aleatorio continuo clásico que tenga la misma densidad de probabilidad que el estado de vacío cuántico, de modo que la principal diferencia con la teoría del campo cuántico es la teoría de la medición (la medición en la teoría cuántica es diferente de la medición de un campo aleatorio continuo clásico, en que las medidas clásicas son siempre compatibles entre sí (en términos de mecánica cuántica siempre conmutan). Los efectos cuánticos que son consecuencia sólo de fluctuaciones cuánticas, no de sutilezas de incompatibilidad de medición, pueden ser alternativamente modelos de campos aleatorios continuos clásicos.
Ver también
- Efecto Casimir
- Fondo de microondas cósmico
- Recocido cuántico
- Espuma cuántica
- Partícula virtual
- Agujero negro virtual
- Interpretación estocástica
- Zitterbewegung
Notas al pie
Referencias
- ^ "Derek Leinweber" . www.physics.adelaide.edu.au . Consultado el 13 de diciembre de 2020 .
- ^ Pahlavani, Mohammad Reza (2015). Temas seleccionados en aplicaciones de la mecánica cuántica . BoD. pag. 118. ISBN 9789535121268.
- ^ a b Pagels, Heinz R. (2012). El código cósmico: la física cuántica como lenguaje de la naturaleza . Courier Corp. págs. 274–278. ISBN 9780486287324.
- ^ a b Kane, Gordon (9 de octubre de 2006). "¿Las partículas virtuales realmente aparecen y desaparecen constantemente? ¿O son simplemente un dispositivo de contabilidad matemática para la mecánica cuántica?" . Preguntas frecuentes sobre ciencias . Sitio web de Scientific American, Springer Nature America . Consultado el 5 de agosto de 2020 .
- ^ Mandelshtam, Leonid ; Tamm, Igor (1945). "Соотношение неопределённости энергия-время в нерелятивистской квантовой механике" [La relación de incertidumbre entre la energía y el tiempo en la mecánica no relativista ". Izv. Akad. Nauk SSSR (Ser. Fiz.) (En ruso). 9 : 122-128. Traducción en inglés: "La relación de incertidumbre entre la energía y el tiempo en la mecánica cuántica no relativista". J. Phys. (URSS) . 9 : 249-254. 1945.
- ^ "Las fluctuaciones cuánticas pueden sacudir objetos en la escala humana" . phys.org . Consultado el 15 de agosto de 2020 .
- ^ "LIGO revela correlaciones cuánticas en funcionamiento en espejos que pesan decenas de kilogramos" . Mundo de la física . 1 de julio de 2020 . Consultado el 15 de agosto de 2020 .
- ^ Yu, Haocun; McCuller, L .; Tse, M .; Kijbunchoo, N .; Barsotti, L .; Mavalvala, N. (julio de 2020). "Correlaciones cuánticas entre la luz y los espejos de kilogramo-masa de LIGO" . Naturaleza . 583 (7814): 43–47. arXiv : 2002.01519 . doi : 10.1038 / s41586-020-2420-8 . ISSN 1476-4687 . PMID 32612226 . S2CID 211031944 .
- ^ Morgan, Peter. "Una perspectiva clásica sobre la no localidad en la teoría cuántica de campos". arXiv : quant-ph / 0106141 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda )