¿Está vacío el vacío? ¿Hay partículas virtuales en el vacío? ¿El vacío es distinto de cero? [duplicar]

Citaré la respuesta de Lubos Motl a una pregunta similar "¿existe el vacío, el espacio vacío?" que se ha cerrado. Si Lubos responde aquí, eliminaré esto:

"vacío" y "espacio vacío" es siempre lo mismo, pero uno siempre debe tener cuidado con lo que significan estos dos términos sinónimos.

La relatividad general implica que la única "información" que lleva el vacío en cada punto es el llamado "tensor métrico", un conjunto de números que permiten calcular la distancia entre dos puntos cercanos. Esto es suficiente para que el vacío pueda doblarse, como cualquier material. No se necesitan constituyentes atómicos para poder hablar sobre la geometría del espacio y garantizar que el entorno pueda curvarse (y distinguir una región plana del vacío de una curva).

La teoría cuántica de campos implica que el vacío está lleno de partículas virtuales que emergen y desaparecen rápidamente. Esas partículas virtuales impactan en otros objetos; por ejemplo, hacen que el electromagnetismo sea un poco más débil a largas distancias (y más fuerte a distancias muy cortas) de lo que uno espera de la ley clásica de Coulomb, etc.

Sin embargo, la mecánica cuántica implica que el vacío corresponde a un "estado" muy particular, un vector en el espacio de Hilbert, llamado |0⟩. Es completamente único y tan vacío como se puede conseguir. En particular, es el estado propio del operador de energía con la energía mínima permitida, esencialmente cero. (Más precisamente, la densidad de energía del vacío no es más que la magnitud de la energía oscura, pero esta energía solo se vuelve considerable para enormes volúmenes cosmológicos de espacio).

El principio de incertidumbre de la mecánica cuántica implica que cuando se miden cosas como la intensidad del campo eléctrico en el vacío, es decir, cuando el sistema físico se encuentra en el estado |0⟩, se pueden obtener muchos valores aleatorios. No está permitido que los campos eléctrico y magnético sean exactamente cero, al igual que una partícula no puede tener una posición y velocidad bien definidas en la mecánica cuántica de una partícula.

Entonces, aunque el vacío tiene una energía bien definida (mínima) y es tan baja como podemos obtener, el vacío está tan vacío como podemos obtener, y no hay "átomos" particulares u otras partículas sentadas en el vacío. , hay mucha actividad en el vacío que se puede ver por el hecho de que las mediciones de varias cosas, como la densidad de energía en un punto dado, conducirán a resultados aleatorios que no son estrictamente cero.

Ahora, la imagen del vacío como un "espacio literalmente vacío" que solo tiene el tensor métrico en cada punto; y la imagen cuántica con toda la actividad de las partículas virtuales son en realidad totalmente compatibles entre sí. Sin embargo, la afirmación de la relatividad general de que el tensor métrico tiene valores particulares en un punto dado debe verse como una aproximación clásica: cuando lo miramos con precisión, el tensor métrico también es un conjunto de operadores. Inevitablemente, tendrán valores variables y caóticos si se miden, que son "aproximadamente cero" si se promedian en volúmenes lo suficientemente grandes.

Entonces, con estos antecedentes, sus preguntas finales:

1. ¿La aspiradora está vacía o no?

No vacío porque en el universo en el que existimos existe energía oscura, pero los números son tan pequeños que se puede considerar vacío, en el sentido de casi cero contenido de energía.

2.¿Hay partículas virtuales en el vacío?

Solo si ocurren interacciones, entonces las partículas virtuales afectan los valores medibles. De lo contrario, son una abstracción matemática.

3.¿Puede surgir un universo de la nada?

No sabemos cómo surgió el universo observable. Se proponen varios modelos como en el que cita. Nuestro universo observable está compuesto principalmente de partículas, y esta asimetría de partículas y partículas no es explicable dentro de las teorías actuales ( la violación de CP en la física de partículas es demasiado pequeña para explicarla). Los modelos que conozco comienzan con un número igual de partículas antipartículas y suponen que en la edad del hidrógeno una violación de CP aún desconocida dio la asimetría que observamos.

¿Está vacío el vacío?

No. El espacio no es nada. Vea a Einstein hablando de esto aquí : "Esta variabilidad espacio-temporal de las relaciones recíprocas de los estándares de espacio y tiempo, o, quizás, el reconocimiento del hecho de que el "espacio vacío" en su relación física no es homogéneo ni isotrópico, obligando nosotros para describir su estado por diez funciones (los potenciales de gravitación gmn), creo que finalmente ha desechado la opinión de que el espacio está físicamente vacío ".

¿Hay partículas virtuales en el vacío?

No. Las partículas virtuales son virtuales, como no reales. Es un mito de la ciencia pop que el espacio está lleno de partículas virtuales que aparecen y desaparecen como por arte de magia. Las fluctuaciones de vacío son reales. Son el equivalente electromagnético de pequeñas ondas en la superficie del mar. Pero no creas que explican la energía espacial. Un campo gravitacional es un lugar donde la densidad de energía espacial varía, y no porque haya más fluctuaciones de vacío cerca de una estrella.

¿El vacío es distinto de cero?

La energía del vacío no es cero.

¿Está vacío el vacío? ¿Cómo es que no está vacío?

No está vacío porque un campo tiene energía y un campo es un estado del espacio. Vea a Einstein hablando de eso aquí : "Los dos tipos de campo están causalmente vinculados en esta teoría, pero aún no se fusionan en una identidad. Sin embargo, apenas se puede imaginar que el espacio vacío tenga condiciones o estados de dos tipos esencialmente diferentes, y es natural sospechar que esto sólo parece ser así porque la estructura del continuo físico no está completamente descrita por la métrica de Riemann".

Pero nadie puede explicarlo serio y simple que puedo entenderlo completamente.

Creo que es más simple de lo que piensas. Basta con echar un vistazo al tensor de tensión-energía-momentum :

_{Imagen de dominio público de Maschen, ver Wikipedia}

Tenga en cuenta el esfuerzo cortante y la presión, y recuerde cosas como "espacio-tiempo curvo". La relatividad general trata el espacio como si fuera una especie de continuo elástico fantasmal transparente como la ginebra. Cuando agrega energía para crear un campo gravitacional, es un poco como empujar el espacio hacia afuera. En mi humilde opinión, es como si el espacio y la energía fueran lo mismo.

Algunos físicos dicen que las partículas virtuales eran una gran mentira.

No son mentira, son solo virtuales . La mentira es la idea de que el espacio está lleno de partículas virtuales que aparecen y desaparecen.

¿No surge en el vacío?

No, son cuantos de campo usados ​​para modelar campos e interacciones. Vea la respuesta de Anna a esta pregunta . Las partículas virtuales solo existen en las matemáticas del modelo.

¿Cuál es la verdad sobre el vacío?

no es nada El espacio sostiene campos y ondas.

¿Qué nos dice este papel?

Poco. Es especulativo.

¿El vacío está vacío o no?

No.

¿Hay partículas virtuales en el vacío?

No. Solo en matemáticas.

¿Puede surgir un universo de la nada?

No. Porque incluso cuando la gente dice que nuestro universo surgió de una fluctuación del vacío, algo fluctuó .