En física , una partícula virtual es una fluctuación cuántica transitoria que exhibe algunas de las características de una partícula ordinaria, mientras que su existencia está limitada por el principio de incertidumbre . El concepto de partículas virtuales surge en la teoría de perturbaciones de la teoría cuántica de campos, 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. [1] [2]
Las partículas virtuales no tienen necesariamente la misma masa que la partícula real correspondiente, aunque siempre conservan energía y momento. Cuanto más se acercan sus características a las de las partículas ordinarias, más tiempo existe 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, se puede pensar que las fuerzas, como la repulsión o atracción electromagnética entre dos cargas, se deben al intercambio de fotones virtuales entre las cargas. Los fotones virtuales son la partícula de intercambio para la interacción electromagnética .
El término es algo vago y vagamente definido, en el sentido de que se refiere a la opinión de que el mundo está formado por "partículas reales". No lo es. Se entiende mejor que las "partículas reales" son 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 o índices asintóticos de la matriz de dispersión . La precisión y el uso de partículas virtuales en los cálculos está firmemente establecida, pero como no se pueden detectar en experimentos, decidir cómo describirlas con precisión es un tema de debate. [3] Dado que es posible realizar cálculos de teoría cuántica de campos sin que se haga referencia a partículas virtuales en las matemáticas utilizadas,como se vio enTeoría del campo de celosía , entonces se cree que las partículas virtuales son simplemente una herramienta matemática.
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. Estos 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 dada 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 la interacción vérticesdel diagrama de Feynman. [4] : 119
Una partícula virtual no obedece precisamente a la relación energía-momento m 2 c 4 = E 2 - p 2 c 2 . Es posible que su energía cinética no tenga la relación habitual con la velocidad . Puede ser negativo. [5] : 110 Esto se expresa con la frase fuera de masa . [4] : 119 La amplitud de probabilidad de que exista una partícula virtual tiende a ser cancelada 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, que es efectivamente masivo, tiene tres estados de polarización.
El túnel cuántico puede considerarse una manifestación de intercambios virtuales de partículas. [6] : 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 tanto, las partículas virtuales de mayor masa tienen un alcance más limitado. [7]
Escrito en las notaciones matemáticas habituales, en las ecuaciones de la física, no hay ninguna marca de 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 no interfieren más. En el punto de vista de la teoría cuántica de campos, las partículas reales se consideran excitaciones detectables de campos cuánticos subyacentes. Las partículas virtuales también se ven como 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. Así, en términos matemáticos, nunca aparecen como índices para elmatriz de dispersión , es decir, nunca aparecen como entradas y salidas observables del proceso físico que se está modelando.
Hay dos formas principales en las que aparece la noción de partículas virtuales 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 deben sumarse o integrarse en el cálculo de un efecto semi-no perturbativo. En el último caso, a veces se dice que las partículas virtuales contribuyen a un mecanismo que media el efecto, o que el efecto se produce a través de las partículas virtuales. [4] : 118
Hay muchos fenómenos físicos observables que surgen en interacciones que involucran partículas virtuales. Para las partículas bosónicas que exhiben masa en reposo cuando son libres y reales, las interacciones virtuales se caracterizan por el rango relativamente corto de la interacción de fuerza producida por el intercambio de partículas. El confinamiento también puede conducir a un corto alcance. Ejemplos de estas interacciones de corto alcance son las fuerzas fuertes y débiles, y sus bosones de campo asociados.
Para 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 energía e información por partículas virtuales es un fenómeno de rango relativamente corto (que existe solo dentro de unas pocas longitudes de onda de la perturbación del campo, que transporta información o energía transferida), como se ve por ejemplo en el característico corto rango de efectos inductivos y capacitativos en la zona de campo cercano de bobinas y antenas.
Algunas interacciones de campo que pueden verse en términos de partículas virtuales son:
La mayoría de estos tienen efectos análogos en la física del estado sólido ; de hecho, a menudo se puede obtener una mejor comprensión intuitiva examinando estos casos. En los semiconductores , las funciones de los electrones, positrones y fotones en la teoría de campos se reemplazan por electrones en la banda de conducción , huecos en la banda de valencia y fonones o vibraciones de la red cristalina. Una partícula virtual se encuentra en un estado virtual en el que no se conserva la amplitud de probabilidad . Günter Nimtz [9] y Alfons A. Stahlhofen presentaron ejemplos de fonones, fotones y electrones virtuales macroscópicos en el caso del proceso de tunelización . [10]
El cálculo de las 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 permite 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 ramas salientes de un diagrama de Feynman se pueden asociar con partículas reales en el caparazón . Por lo tanto, es natural asociar las otras líneas del diagrama también con partículas, llamadas "partículas virtuales". En términos matemáticos, corresponden a lapropagadores que aparecen en el diagrama.
En la imagen adyacente, las líneas continuas corresponden a partículas reales (de impulso p 1 y así sucesivamente), mientras que la línea de puntos corresponde a una partícula virtual que lleva impulso 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 los nucleones que interactúan , la línea de puntos sería un pión virtual . En el caso de los 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 continuas corresponden a un propagador de fermiones, las líneas onduladas a bosones.
En términos formales, una partícula se considera 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 denominados colectivamente operadores de escalera ). En muchos casos, el operador del número de partículas no conmuta con el hamiltoniano para el sistema. Esto implica que el número de partículas en un área del espacio no es una cantidad bien definida pero, 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 del vacío de la energía del vacío . En cierto sentido, pueden entenderse como una manifestación del principio de incertidumbre tiempo-energía en el vacío. [11]
Un ejemplo importante de la "presencia" de partículas virtuales en el vacío es el efecto Casimir . [12] Aquí, la explicación del efecto requiere que se pueda sumar la energía total de todas las partículas virtuales en el vacío. Por lo tanto, aunque las partículas virtuales en sí mismas no son directamente observables en el laboratorio, dejan un efecto observable: su energía de punto cero da como resultado fuerzas que actúan sobre placas de metal o dieléctricos convenientemente dispuestos . [13] Por otro lado, el efecto Casimir puede interpretarse como la fuerza relativista de van der Waals . [14]
Las partículas virtuales a menudo se describen popularmente como que vienen en pares, una partícula y una antipartícula que pueden ser de cualquier tipo. Estos pares existen durante un tiempo extremadamente corto y luego se aniquilan mutuamente, o en algunos casos, el par puede separarse usando energía externa para evitar la aniquilación y convertirse en partículas reales, como se describe a continuación.
Esto puede ocurrir de dos formas. En un marco de referencia acelerado , las partículas virtuales pueden parecer reales para el observador acelerado; esto se conoce como efecto Unruh . En resumen, el vacío de un marco estacionario parece, para el observador acelerado, un gas caliente de partículas reales en equilibrio termodinámico .
Otro ejemplo es la producción de pares en campos eléctricos muy fuertes, a veces llamado decaimiento del vacío . Si, por ejemplo, un par de núcleos atómicos se fusionan para formar muy brevemente un núcleo con una carga mayor de aproximadamente 140 (es decir, más grande que aproximadamente la inversa de la constante de estructura fina , que es una cantidad adimensional ), la La fuerza del campo eléctrico será tal que será energéticamente favorable crear pares de positrones-electrones a partir del vacío o del 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 momento definido con precisión. Por esta razón, las partículas virtuales, que existen sólo temporalmente a medida que se intercambian entre partículas ordinarias, no suelen obedecer a la relación masa-capa ; cuanto más tiempo existe una partícula virtual, más se acercan la energía y el momento a la relación masa-capa.
La vida útil de las partículas reales suele ser mucho más larga que la vida útil 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 (Coulombic) es una fuerza de rango relativamente corto que es consecuencia del intercambio de fotones virtuales [ cita requerida ] .