Algunas preguntas sobre partículas virtuales

Al leer sobre mecánica cuántica, me topé con una descripción de la fuerza entre dos electrones como resultado de partículas virtuales "intercambiadas" por los dos electrones.

Hasta ahora he entendido que las partículas virtuales son una "predicción" del principio de incertidumbre, y que su vida útil es inversamente proporcional a su masa.

¿Está un electrón (o las partículas reales en general) estimulando de alguna manera la creación de partículas virtuales? Si es así, ¿por qué?

Si estos tipos aparecen y desaparecen, ¿no interferirán con las partículas reales? Si es así, supongo que el efecto promedio en una partícula es cero, ya que la creación es completamente aleatoria junto con los momentos de las partículas. ¿Es esto correcto?

Un pequeño consejo, cuando empiezas a discutir la física en un nivel tan fundamental como este, "¿por qué?" las preguntas se vuelven verdaderamente fútiles. El intercambio de partículas virtuales es cómo describimos las interacciones fundamentales en QFT. Si pudiéramos explicar por qué las partículas interactúan de esa manera en términos de interacciones más fundamentales, entonces eso simplemente pasaría por alto qué tipo de interacciones son las fundamentales. Creo que hay un gran clip de Feynman que aborda este punto en algún lugar de la red.
La pregunta está bien. ¿Cuántas veces escuchamos a físicos académicos, profesores preguntando "¿por qué?" ¡¿preguntas?! Claramente, nadie está haciendo un ridículo antropomorfismo con un electrón. En su ejemplo de interacciones fundamentales. Salaam podría haber preguntado; ¿Por qué se cuantifica la hipercarga? Ah, porque los grupos de calibre SM están incrustados en un grupo simple no abeliano :)
Estoy de acuerdo en que la palabra "por qué" en última instancia puede perder sentido en la física, pero la uso aquí como una forma abreviada de "¿Cómo se explica esto o se imagina que es así?".
@ChrisWhite Ah, sí, ese es exactamente el clip del que estaba hablando. Podría escuchar a ese hombre hablar durante horas.

Respuestas (2)

En primer lugar, las partículas virtuales son de hecho una consecuencia del principio de incertidumbre, sin comillas. Las partículas virtuales son aquellas que no satisfacen la relación de dispersión correcta

mi = metro 2 C 4 + pag 2 C 2
porque tienen un valor diferente de energía por Δ mi . Para un valor de energía tan "incorrecto", tienen que pedir prestado (o prestar) Δ mi del resto del Universo. Esto es posible por un tiempo limitado Δ t mientras la relación de incertidumbre tiempo-energía "negada"
Δ t ⋅ Δ mi ≤ ℏ / 2
es obedecido. Uno simplemente no puede medir la energía. mi durante un intervalo demasiado corto Δ t con más precisión que con el error Δ mi dada por la fórmula anterior que hace posible tomar prestada/prestar tanta energía por tan poco tiempo.

Prácticamente por definición, las partículas virtuales son efectos que parecen una existencia temporal de una partícula real que está limitada en el tiempo por la desigualdad anterior. Cuanto más virtual es la partícula, mayor es la desviación de la energía. Δ mi es: más corta es la escala de tiempo en la que pueden operar las partículas virtuales. en el limite Δ mi → 0 , las partículas virtuales se vuelven "reales", lo que significa que también pueden ser observadas. Para un valor distinto de cero, no se pueden observar y son solo "efectos intermedios entre las mediciones" que modifican el comportamiento de otras partículas. Más explícitamente, las partículas virtuales aparecen como propagadores (líneas internas) de un diagrama de Feynman.

El electrón no está necesariamente "simulando" a nadie, sea lo que sea que se suponga que signifique "simular". En cambio, el electrón puede "emitir" una partícula virtual como un fotón. La emisión de un fotón real es imposible por la conservación de energía/cantidad de movimiento: en el sistema de reposo del electrón inicial, la energía es solo metro mi C 2 pero aumentaría tanto por la energía cinética extra del electrón en movimiento final como por la energía del fotón positivo, violando así la ley de conservación de la energía. Pero el electrón puede emitir un fotón virtual para el cual se viola efectivamente la ley de conservación de la energía (o el fotón tiene una energía diferente, quizás negativa, de la que debería tener), lo cual está bien por el momento. Δ t descrito arriba. Mientras el fotón desaparezca antes de esto Δ t llega la fecha límite: es absorbida por otra partícula cargada, todo está bien y esta historia intermedia contribuye a las amplitudes de probabilidad. Es por eso que las partículas cargadas se influyen entre sí debido al electromagnetismo; así es como operan los fotones virtuales.

En cuanto a la última pregunta, sí, las partículas virtuales pueden interferir con las reales. Por ejemplo, si estudiamos procesos en un campo eléctrico externo creado por muchos fotones coherentes de longitud de onda larga, seguirá habiendo diagramas de Feynman con fotones virtuales en ellos. Las amplitudes de estos diagramas deben sumarse a las amplitudes con el campo eléctrico clásico real, y solo el resultado (suma) se eleva al cuadrado en valor absoluto. A eso nos referimos con interferencia.

Y sí, los efectos de las partículas virtuales en un electrón aislado son igualmente probables en todas las direcciones y, en este sentido, se "promedian". Un estado de electrón con un 3-momentum claramente definido sigue siendo un estado propio de energía y se mueve a lo largo de una línea recta. Sin embargo, debido a la constante emisión y reabsorción de algunas partículas virtuales, el estado propio de energía similar a un electrón real tiene una "nube" de fotones virtuales a su alrededor. Los fotones virtuales no rompen las simetrías de la teoría, como la simetría de norma y la simetría de Lorentz. Después de todo, los fotones virtuales resultan de la teoría cuyo Lagrangiano sí respeta estas simetrías y ninguna anomalía las rompe.

Si el fotón virtual puede ser absorbido antes Δ t llega la fecha límite, ¿no debería esto significar que tal interacción es posible solo en escalas espaciales muy pequeñas debido a la velocidad finita de la luz? Entonces, ¿cómo pueden los electrones interactuar en escalas más grandes? ¿O tal vez el fotón virtual puede tener una energía arbitrariamente pequeña que le permitiría vivir el tiempo suficiente para viajar muy lejos?
Gracias por una respuesta elaborada. ¿Qué desencadena exactamente la emisión de un fotón virtual de un electrón? Dado que la fuerza entre dos electrones es detectable, los electrones deben emitir más fotones virtuales que el espacio vacío para medir la fuerza.
@Nick: Aprobé la edición sugerida, pero solo por \geq vs. \leq.
Sí, @Ruslan, en principio Sí, la finitud de Δ t implica que la interacción no es igualmente fuerte a largas distancias. Pero eso no significa que sea de corto alcance. Una disminución de la ley de potencia está bien y en realidad es lo que se predijo. Para ver eso cuantitativamente, uno tiene que averiguar cómo se comporta el propagador de fotones. Simplemente no disminuye exponencialmente rápido, porque el fotón no tiene masa. Efectivamente, la disminución más lenta de la influencia de los fotones virtuales está ligada a la falta de masa del fotón. Sí, 2 electrones distantes interactúan a través de un fotón virtual de energía diminuta.
Estimado @Lejon, la emisión de fotones virtuales es, al igual que la descomposición de una partícula en fotones reales (u otras partículas), un proceso probabilístico cuyo tiempo preciso no se puede predecir de manera determinista, como todo lo demás según la mecánica cuántica. Solo las amplitudes de probabilidad son calculables a partir de las leyes de la física y una manipulación correcta de estas amplitudes es suficiente para predecir todo lo que realmente podemos medir.
@dj_mummy, no hay colapsos en la mecánica cuántica. Esto es especialmente importante para el cálculo de procesos intermedios como el intercambio virtual de fotones que dependen de la coherencia cuántica. ... La decoherencia es la diagonalización rápida de la matriz de densidad de los sistemas que interactúan con entornos complicados. Esta pregunta trata sobre 2 partículas cargadas y fotones virtuales, por lo que no hay un entorno extenso ni decoherencia. Es por eso que su pregunta sobre la decoherencia está completamente fuera de tema aquí.
Hm... Ahora que lo compruebo, ¡la edición de Nick fue incorrecta! La respuesta dice "negado".!
@LubošMotl Sí, pero realmente no explica por qué la probabilidad de que el electrón emita un fotón es mayor que la del espacio libre.
No sé si estoy de acuerdo con esta respuesta, realmente no veo cómo puedes justificar los fotones virtuales como una entidad "real" en absoluto, son construcciones permitidas por el hecho de que eres capaz de escribir la interacción hamiltoniana en términos de vértices y propagadores. Pero son un artefacto de la teoría de la perturbación: si pudieras resolver el problema de dispersión exacto, no tendrías una combinación lineal de diagramas de Feynman, solo tendrías una solución no perturbadora del problema de dispersión (al menos, yo no he visto una prueba de que la serie de perturbaciones converge a una solución exacta).
Estimado @lejon, el vacío solo podría emitir fotones de impulso cero y energía cero que, de todos modos, serían inobservables (conservación de la energía y el impulso). El punto aquí es que el fotón virtual es emitido por una partícula cargada cuyo vector de energía-momento final difiere del inicial, razón por la cual el fotón emitido tiene una energía y/o un momento distinto de cero (mientras que aún no obedece). mi = pag C ). Tal fotón con energía o momento distinto de cero puede hacer otras cosas en el proceso, a diferencia del fotón de momento cero y energía cero que discutimos.
Estimado @Jerry, según la mecánica cuántica, nada, ni siquiera las "partículas reales", es real en el sentido clásico, por lo que su objeción es completamente irrelevante en el contexto de QM. Usted dice que las partículas virtuales son artefactos de la teoría de la perturbación, propagadores en diagramas perturbativos de Feynman, y tiene razón. Pero las partículas reales de "cualquier tipo en particular" también son artefactos de la teoría de perturbaciones. Son creados por operadores de creación que solo tienen el conmutador simple con el hamiltoniano en el límite de la teoría libre.
Puedo tomar la perspectiva opuesta, también. Las partículas reales existen como estados externos en el espacio de Hilbert que no depende de aproximaciones perturbativas. Me parece bien. Pero lo mismo es cierto para las partículas virtuales: ¡son polos en las amplitudes exactas y las propiedades de estos polos (y otras singularidades) tampoco dependen de la aproximación perturbativa! ¡Entonces no hay nada más "dependiente de la teoría de la perturbación" en partículas virtuales en comparación con las partículas reales!
@dj_mummy, a menos que lo malinterpretes, tu profesor te estaba confundiendo. Uno puede hablar de "observaciones primero", pero en algún momento tendrá que entender la física de las partículas virtuales, de todos modos. La realidad viene dada por la mecánica cuántica que solo predice probabilísticamente las observaciones. Pero los cálculos tienen muchas estructuras, como partículas virtuales, y aún se debe comprender qué significan físicamente y qué no, cuáles son sus interacciones y relaciones con las partículas reales, etc.
@LubošMotl: ¿por qué es necesariamente el caso de que los polos en la expansión de la perturbación sobrevivan hasta la solución exacta no perturbativa? En principio, ¿no pueden ser anulados por polos de orden superior, por ejemplo?
@LubošMotl ¿No es eso lo que muestra el efecto Casimir, que se pueden observar partículas virtuales creadas en el espacio vacío?

He encontrado esta pregunta en otra parte de la web, pero parece que no puedo recordar. Mi respuesta asume que te estás refiriendo a las partículas virtuales que median las fuerzas.

La idea aquí es comprender la matriz S y las amplitudes de dispersión. QFT es el estudio del nacimiento y muerte de partículas entre 2 observaciones. Cada interacción de dispersión QFT tiene un estado de "entrada" y "salida", donde los estados se definen en el esquema de Hartree-Fock. Lo que observamos son los estados de entrada y salida solamente.

Daré un ejemplo de la dispersión de un electrón en un campo eléctrico. Entonces, el estado in (estado propio que creamos) consiste en un electrón en un cierto estado de momento y espín y un fotón (del campo aplicado) en cierto momento y helicidad.

Dejamos el sistema intacto y después de mucho tiempo lo observamos de nuevo. Ahora tenemos el estado de salida. Existe la probabilidad de obtener todo tipo de configuraciones del electrón y del fotón (limitado únicamente por la conservación del momento, la energía, la carga, etc.).

Queremos averiguar la probabilidad de obtener todo tipo de estados. Usamos expansiones en serie para calcular esta amplitud. Feynman y sus compañeros de trabajo idearon herramientas para realizar un seguimiento de los términos de esta serie. Representamos términos de cada término de una serie (donde el estado oen out corresponde a una serie completa) usando diagramas de Feynman. Para facilitar el cálculo fácil, usamos partículas virtuales en estos diagramas.

Como QFT trata con observaciones discontinuas, no se intercambian fotones reales, solo antes y después de los estados. Para simplificar las matemáticas, imaginamos que se intercambiaron partículas virtuales entre los estados de entrada y salida.

Recomiendo cualquier libro estándar de QFT (Antony Zee, por ejemplo) para tener una idea clara de cómo usamos las partículas virtuales como herramienta. Espero que esta respuesta sea satisfactoria.

EDITAR: He tomado el intervalo de tiempo como infinito como mencioné anteriormente. Nunca es realmente el caso en la vida real, pero permite conservar la energía en mi proceso de dispersión.

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