Estado de vacío cuántico

En la teoría cuántica de campos , el estado cuántico de vacío (también llamado vacío cuántico o estado de vacío ) es el estado cuántico con la menor energía posible . Generalmente, no contiene partículas físicas. El campo de punto cero se utiliza a veces como sinónimo del estado de vacío de un campo cuantificado individual.

Según la comprensión actual de lo que se llama el estado de vacío o el vacío cuántico, "de ninguna manera es un simple espacio vacío". [1] [2] Según la mecánica cuántica, el estado de vacío no es realmente vacío, sino que contiene ondas electromagnéticas fugaces y partículas que entran y salen del campo cuántico. [3] [4] [5]

El vacío QED de la electrodinámica cuántica (o QED) fue el primer vacío de la teoría cuántica de campos que se desarrolló. La QED se originó en la década de 1930, ya finales de la de 1940 y principios de la de 1950 fue reformulada por Feynman , Tomonaga y Schwinger , quienes recibieron conjuntamente el premio Nobel por este trabajo en 1965. [6] Hoy las interacciones electromagnéticas y las interacciones débiles están unificadas ( sólo a energías muy altas) en la teoría de la interacción electrodébil .

El modelo estándar es una generalización del trabajo QED para incluir todas las partículas elementales conocidas y sus interacciones (excepto la gravedad). La cromodinámica cuántica (o QCD) es la parte del modelo estándar que se ocupa de interacciones fuertes , y el vacío de QCD es el vacío de la cromodinámica cuántica. Es objeto de estudio en el Gran Colisionador de Hadrones y el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista , y está relacionado con la llamada estructura de vacío de interacciones fuertes . [7]

"> File:Vacuum fluctuations revealed through spontaneous parametric down-conversion.ogvReproducir medios
El video de un experimento que muestra fluctuaciones de vacío (en el anillo rojo) amplificadas por conversión descendente paramétrica espontánea .

Si la teoría cuántica de campos se puede describir con precisión a través de la teoría de la perturbación , entonces las propiedades del vacío son análogas a las propiedades del estado fundamental de un oscilador armónico mecánico cuántico , o más exactamente, al estado fundamental de un problema de medición . En este caso, el valor esperado de vacío (VEV) de cualquier operador de campo desaparece. Para las teorías cuánticas de campos en las que la teoría de la perturbación se descompone a bajas energías (por ejemplo, la cromodinámica cuántica o la teoría de superconductividad BCS ), los operadores de campo pueden tener valores de expectativa de vacío que no desaparecen , llamados condensados . En el modelo estándar , el valor esperado de vacío distinto de cero del campo de Higgs , que surge de la ruptura espontánea de la simetría , es el mecanismo por el cual los otros campos en la teoría adquieren masa.

El estado de vacío está asociado con una energía de punto cero , y esta energía de punto cero (equivalente al estado de energía más bajo posible) tiene efectos medibles. En el laboratorio, puede detectarse como efecto Casimir . En cosmología física , la energía del vacío cosmológico aparece como la constante cosmológica . De hecho, la energía de un centímetro cúbico de espacio vacío se ha calculado en sentido figurado en una billonésima parte de un ergio (o 0,6 eV). [8] Un requisito sobresaliente impuesto a una Teoría del Todo potencial es que la energía del estado de vacío cuántico debe explicar la constante cosmológica observada físicamente.

Para una teoría de campo relativista , el vacío es invariante de Poincaré , lo que se deriva de los axiomas de Wightman, pero también se puede probar directamente sin estos axiomas. [9] La invariancia de Poincaré implica que solo las combinaciones escalares de operadores de campo tienen VEV que no desaparecen . El VEV puede romper algunas de las simetrías internas del Lagrangiano de la teoría de campo. En este caso, el vacío tiene menos simetría de lo que permite la teoría, y se dice que se ha producido una ruptura espontánea de la simetría . Ver mecanismo de Higgs , modelo estándar .

Se espera que las correcciones cuánticas de las ecuaciones de Maxwell den como resultado un diminuto término de polarización eléctrica no lineal en el vacío, lo que da como resultado una permitividad eléctrica dependiente del campo ε que se desvía del valor nominal ε 0 de la permitividad del vacío . [10] Estos desarrollos teóricos se describen, por ejemplo, en Dittrich y Gies. [5] La teoría de la electrodinámica cuántica predice que el vacío QED debería exhibir una ligera no linealidad de modo que en presencia de un campo eléctrico muy fuerte, la permitividad aumenta en una pequeña cantidad con respecto a ε 0 . Es más, y lo que sería más fácil de observar (¡pero aún muy difícil!), Es que un campo eléctrico fuerte modificaría la permeabilidad efectiva del espacio libre , volviéndose anisotrópico con un valor ligeramente por debajo de μ 0 en la dirección del campo eléctrico y ligeramente superior a μ 0 en la dirección perpendicular, por lo que presenta birrefringencia para una onda electromagnética que viaja en una dirección distinta a la del campo eléctrico. El efecto es similar al efecto Kerr pero sin que haya materia presente. [11] Esta minúscula no linealidad se puede interpretar en términos de producción de pares virtuales [12] Se predice que el campo eléctrico requerido será enorme, aproximadamenteV / m, conocido como límite de Schwinger ; Se ha estimado la constante de Kerr equivalente , que es aproximadamente 10 20 veces menor que la constante de Kerr del agua. También se han propuesto explicaciones para el dicroísmo de la física de partículas, fuera de la electrodinámica cuántica. [13] Medir experimentalmente tal efecto es muy difícil, [14] y aún no ha tenido éxito.

La presencia de partículas virtuales puede basarse rigurosamente en la no conmutación de los campos electromagnéticos cuantificados . La no conmutación significa que aunque los valores promedio de los campos desaparecen en un vacío cuántico, sus variaciones no. [15] El término " fluctuaciones del vacío " se refiere a la variación de la intensidad de campo en el estado de energía mínima, [16] y se describe pintorescamente como evidencia de "partículas virtuales". [17] A veces se intenta proporcionar una imagen intuitiva de partículas virtuales, o variaciones, basándose en el principio de incertidumbre de energía-tiempo de Heisenberg :

(siendo ΔE y Δt las variaciones de energía y tiempo respectivamente; ΔE es la precisión en la medición de la energía y Δt es el tiempo empleado en la medición, y ħ es la constante de Planck reducida ) argumentando en la línea que la corta vida útil de los Las partículas permiten "tomar prestadas" grandes energías del vacío y, por lo tanto, permite la generación de partículas durante períodos cortos. [18] Aunque se acepta el fenómeno de las partículas virtuales, esta interpretación de la relación de incertidumbre energía-tiempo no es universal. [19] [20] Un problema es el uso de una relación de incertidumbre que limita la precisión de la medición, como si una incertidumbre de tiempo Δt determinara un "presupuesto" para tomar prestada energía ΔE . Otro problema es el significado de "tiempo" en esta relación, porque la energía y el tiempo (a diferencia de la posición q y el momento p , por ejemplo) no satisfacen una relación de conmutación canónica (como [ q , p ] = i  ħ ). [21] Se han propuesto varios esquemas para construir un observable que tenga algún tipo de interpretación del tiempo y, sin embargo, satisfaga una relación de conmutación canónica con la energía. [22] [23] Los numerosos enfoques del principio de incertidumbre energía-tiempo son un tema largo y continuo. [23]

Según Astrid Lambrecht (2002): "Cuando se vacía un espacio de toda la materia y se baja la temperatura al cero absoluto, se produce en un experimento de Gedanke [experimento mental] el estado de vacío cuántico". [1] Según Fowler y Guggenheim (1939/1965), la tercera ley de la termodinámica se puede enunciar con precisión de la siguiente manera:

Es imposible mediante cualquier procedimiento, por idealizado que sea, reducir cualquier ensamblaje al cero absoluto en un número finito de operaciones. [24] (Ver también. [25] [26] [27] )

La interacción fotón-fotón sólo puede ocurrir a través de la interacción con el estado de vacío de algún otro campo, por ejemplo, a través del campo de vacío electrón-positrón de Dirac; esto está asociado con el concepto de polarización al vacío . [28] Según Milonni (1994): "... todos los campos cuánticos tienen energías de punto cero y fluctuaciones de vacío". [29] Esto significa que hay un componente del vacío cuántico respectivamente para cada campo componente (considerado en ausencia conceptual de los otros campos), como el campo electromagnético, el campo electrón-positrón de Dirac, etc. Según Milonni (1994), algunos de los efectos atribuidos al campo electromagnético de vacío pueden tener varias interpretaciones físicas, algunas más convencionales que otras. La atracción de Casimir entre placas conductoras sin carga se propone a menudo como un ejemplo de un efecto del campo electromagnético de vacío. Schwinger, DeRaad y Milton (1978) son citados por Milonni (1994) como una explicación válida, aunque no convencional, del efecto Casimir con un modelo en el que "el vacío se considera verdaderamente un estado con todas las propiedades físicas iguales a cero". [30] [31] En este modelo, los fenómenos observados se explican como los efectos de los movimientos de los electrones en el campo electromagnético, llamado efecto de campo fuente. Milonni escribe:

La idea básica aquí será que la fuerza de Casimir puede derivarse solo de los campos fuente incluso en QED completamente convencional, ... Milonni proporciona un argumento detallado de que los efectos físicos mensurables generalmente atribuidos al campo electromagnético de vacío no pueden explicarse solo por ese campo , pero requieren además una contribución de la energía propia de los electrones, o su reacción de radiación. Escribe: "La reacción de radiación y los campos de vacío son dos aspectos de la misma cosa cuando se trata de interpretaciones físicas de varios procesos de QED, incluido el desplazamiento de Lamb , las fuerzas de van der Waals y los efectos de Casimir". [32]

Este punto de vista también lo afirma Jaffe (2005): "La fuerza de Casimir se puede calcular sin referencia a las fluctuaciones del vacío y, como todos los demás efectos observables en QED, desaparece cuando la constante de estructura fina, α , llega a cero". [33]

El estado de vacío se escribe como o . El valor esperado de vacío (véase también el valor esperado ) de cualquier campo debe escribirse como .

  1. ↑ a b Astrid Lambrecht (2002). Hartmut Figger; Dieter Meschede; Claus Zimmermann (eds.). Observación de la disipación mecánica en el vacío cuántico: un desafío experimental; en física láser al límite . Berlín / Nueva York: Springer. pag. 197. ISBN 978-3-540-42418-5.
  2. ^ Christopher Ray (1991). Tiempo, espacio y filosofía . Londres / Nueva York: Routledge. Capítulo 10, pág. 205. ISBN 978-0-415-03221-6.
  3. ^ Actualización de noticias de física de AIP, 1996
  4. ^ Enfoque de revisión física diciembre de 1998
  5. ^ a b Walter Dittrich y Gies H (2000). Sondando el vacío cuántico: enfoque de acción perturbativa efectiva . Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-67428-3.
  6. ^ Para una discusión histórica, vea por ejemplo Ari Ben-Menaḥem, ed. (2009). "Electrodinámica cuántica (QED)" . Enciclopedia Histórica de Ciencias Naturales y Matemáticas . 1 (5ª ed.). Saltador. págs. 4892 y sigs . ISBN 978-3-540-68831-0. Para obtener detalles sobre el premio Nobel y las conferencias Nobel de estos autores, consulte "El Premio Nobel de Física 1965" . Nobelprize.org . Consultado el 6 de febrero de 2012 .
  7. ^ Jean Letessier; Johann Rafelski (2002). Hadrones y plasma de Quark-Gluon . Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 37 y sigs . ISBN 978-0-521-38536-7.
  8. ^ Sean Carroll, Investigador Asociado Sr - Física, Instituto de Tecnología de California , 22 de junio de 2006Transmisión de C-SPAN de Cosmología en el Panel de Ciencia Anual de Kos, Parte 1
  9. ^ Bednorz, Adam (noviembre de 2013). "Invarianza relativista del vacío". El European Physical Diario C . 73 (12): 2654. arXiv : 1209.0209 . Código Bibliográfico : 2013EPJC ... 73.2654B . doi : 10.1140 / epjc / s10052-013-2654-9 . S2CID  39308527 .
  10. ^ David Delphenich (2006). "Electrodinámica no lineal y QED". arXiv : hep-th / 0610088 .
  11. ^ Mourou, GA, T. Tajima y SV Bulanov, Óptica en el régimen relativista ; § XI QED no lineal , Revisiones de la física moderna vol. 78 (no. 2), 309-371 (2006) archivo pdf .
  12. ^ Klein, James J. y BP Nigam, Birrefringencia del vacío , Physical Review vol. 135 , pág. B1279-B1280 (1964).
  13. ^ Holger Gies; Joerg Jaeckel; Andreas Ringwald (2006). "Propagación de luz polarizada en un campo magnético como sonda de fermiones con carga milimétrica". Cartas de revisión física . 97 (14): 140402. arXiv : hep-ph / 0607118 . Código Bibliográfico : 2006PhRvL..97n0402G . doi : 10.1103 / PhysRevLett.97.140402 . PMID  17155223 . S2CID  43654455 .
  14. ^ Davis; Joseph Harris; Jamón; Smolyaninov; Kyuman Cho (2007). "Desafíos experimentales involucrados en búsquedas de partículas similares a axiones y efectos electrodinámicos cuánticos no lineales por técnicas ópticas sensibles". arXiv : 0704,0748 [ hep-ésimo ].
  15. ^ Myron Wyn Evans ; Stanisław Kielich (1994). Óptica no lineal moderna, Volumen 85, Parte 3 . John Wiley e hijos. pag. 462. ISBN 978-0-471-57548-1. Para todos los estados de campo que tienen análogo clásico, las varianzas de cuadratura de campo también son mayores o iguales a este conmutador.
  16. ^ David Nikolaevich Klyshko (1988). Fotones y óptica no lineal . Taylor y Francis. pag. 126. ISBN 978-2-88124-669-2.
  17. ^ Milton K. Munitz (1990). Comprensión cósmica: filosofía y ciencia del universo . Prensa de la Universidad de Princeton. pag. 132. ISBN 978-0-691-02059-4. La emergencia temporal y espontánea de partículas del vacío se denomina "fluctuación del vacío".
  18. ^ Para ver un ejemplo, consulte PCW Davies (1982). El universo accidental . Prensa de la Universidad de Cambridge. págs.  106 . ISBN 978-0-521-28692-3.
  19. ^ Una descripción más vaga es proporcionada por Jonathan Allday (2002). Quarks, leptons and the big bang (2ª ed.). Prensa CRC. págs. 224 y sigs . ISBN 978-0-7503-0806-9. La interacción tendrá una duración determinada Δt . Esto implica que la amplitud de la energía total involucrada en la interacción se distribuye en un rango de energías ΔE .
  20. ^ Esta idea de "tomar prestado" ha llevado a propuestas para usar la energía de punto cero del vacío como un depósito infinito y una variedad de "campos" sobre esta interpretación. Ver, por ejemplo, Moray B. King (2001). Búsqueda de energía de punto cero: principios de ingeniería para invenciones de "energía libre" . Adventures Unlimited Press. págs. 124 y sigs . ISBN 978-0-932813-94-7.
  21. ↑ Se dice que las cantidades que satisfacen una regla de conmutación canónica son observables no compatibles, lo que significa que ambas pueden medirse simultáneamente solo con precisión limitada. Ver Kiyosi Itô (1993). "§ 351 (XX.23) C: Relaciones canónicas de conmutación" . Diccionario enciclopédico de matemáticas (2ª ed.). MIT Press. pag. 1303. ISBN 978-0-262-59020-4.
  22. ^ Paul Busch ; Marian Grabowski; Pekka J. Lahti (1995). "§III.4: Energía y tiempo". Física cuántica operativa . Saltador. págs.  77 y sigs . ISBN 978-3-540-59358-4.
  23. ^ a b Para una revisión, consulte Paul Busch (2008). "Capítulo 3: La relación de incertidumbre tiempo-energía". En JG Muga; R. Sala Mayato; ILLINOIS. Egusquiza (eds.). El tiempo en la mecánica cuántica . Apuntes de clases de física. 734 (2ª ed.). Saltador. págs. 73-105. arXiv : quant-ph / 0105049 . Código bibliográfico : 2002tqm..conf ... 69B . doi : 10.1007 / 978-3-540-73473-4_3 . ISBN 978-3-540-73472-7. S2CID  14119708 .
  24. ^ Fowler, R. , Guggenheim, EA (1965). Termodinámica estadística. A Version of Statistical Mechanics for Students of Physics and Chemistry , reimpreso con correcciones, Cambridge University Press, Londres, página 224.
  25. ^ Partington, JR (1949). Tratado avanzado de química física , volumen 1, Principios fundamentales. Las propiedades de los gases , Longmans, Green and Co., Londres, página 220.
  26. ^ Wilks, J. (1971). La Tercera Ley de la Termodinámica, Capítulo 6 en Termodinámica , volumen 1, ed. W. Jost, de H. Eyring, D. Henderson, W. Jost, Química física. An Advanced Treatise , Academic Press, Nueva York, página 477.
  27. ^ Bailyn, M. (1994). Una encuesta de termodinámica , Instituto Americano de Física, Nueva York, ISBN  0-88318-797-3 , página 342.
  28. ^ Jauch, JM, Rohrlich, F. (1955/1980). La teoría de fotones y electrones. La teoría del campo cuántico relativista de partículas cargadas con medio giro , segunda edición ampliada, Springer-Verlag, Nueva York, ISBN  0-387-07295-0 , páginas 287–288.
  29. ^ Milonni, PW (1994). El vacío cuántico. Introducción a la electrodinámica cuántica , Academic Press, Inc., Boston, ISBN  0-12-498080-5 , página xv.
  30. ^ Milonni, PW (1994). El vacío cuántico. Introducción a la electrodinámica cuántica , Academic Press, Inc., Boston, ISBN  0-12-498080-5 , página 239.
  31. ^ Schwinger, J .; DeRaad, LL; Milton, KA (1978). "Efecto Casimir en dieléctricos". Annals of Physics . 115 (1): 1–23. Código Bibliográfico : 1978AnPhy.115 .... 1S . doi : 10.1016 / 0003-4916 (78) 90172-0 .
  32. ^ Milonni, PW (1994). El vacío cuántico. Introducción a la electrodinámica cuántica , Academic Press, Inc., Boston, ISBN  0-12-498080-5 , página 418.
  33. ^ Jaffe, RL (2005). Efecto Casimir y el vacío cuántico, Phys. Rev. D 72 : 021301 (R), http://1–5.cua.mit.edu/8.422_s07/jaffe2005_casimir.pdf [ enlace muerto permanente ]

  • Copia gratuita en pdf de El vacío estructurado - sin pensar en nada por Johann Rafelski y Berndt Muller (1985) ISBN  3-87144-889-3 .
  • ME Peskin y DV Schroeder, Introducción a la teoría cuántica de campos .
  • H. Genz, Nada: la ciencia del espacio vacío
  • Puthoff, ÉL; Little, SR; Ibison, M. (2001). "Ingeniería del campo de punto cero y vacío polarizable para vuelo interestelar". arXiv : astro-ph / 0107316 .
  • EW Davis, VL Teofilo, B. Haisch, HE Puthoff, LJ Nickisch, A. Rueda y DC Cole (2006) " Revisión de conceptos experimentales para estudiar el campo de vacío cuántico "

  • Energía en Materia