¿Los electrones se mueven más rápido que la luz y retroceden en el tiempo?

En física de partículas, el marco matemático que se utiliza actualmente se conoce como teoría cuántica de campos . Un ejemplo de tal teoría es la electrodinámica cuántica , que se ocupa de las interacciones entre fotones y electrones.

Cuando haces cálculos en la teoría cuántica de campos, te encuentras lidiando con muchas fórmulas (a veces muy complejas). Feynman encontró una manera de representar muy bien estas fórmulas como diagramas. Dos ejemplos de diagramas de Feynman son:

Si estás estudiando un proceso físico y quieres hacer predicciones al respecto, hay una receta para hacer tus cálculos:

Dibujar todos los diagramas de Feynman correspondientes al proceso en cuestión. Cada diagrama tiene una fórmula matemática asociada. Sumándolos todos se obtiene la respuesta física.

También hay algunas reglas (conocidas como reglas de Feynman ) que se utilizan para dibujar diagramas. En general, lo que tienes que hacer es:

Para cada fotón entrante, dibuje una línea ondulada a la izquierda, para cada electrón o positrón entrante una línea continua (la flecha hacia la izquierda significa un positrón y hacia la derecha un electrón) y lo mismo para las partículas salientes. Luego use las reglas de Feynman para construir un diagrama permitido.

Podríamos parar aquí. Los diagramas de Feynman son solo una buena manera de representar algunas fórmulas complicadas. Sabemos cómo usarlos para obtener respuestas comprobables experimentalmente a preguntas sobre la física de electrones y fotones. Los resultados que se pueden obtener de esta manera describen la naturaleza de manera impresionantemente precisa (como es el caso del Lamb shift, algún efecto en el átomo de hidrógeno).

Sin embargo, debido a que cada línea entrante y saliente representa una partícula, es tentador decir que las líneas internas del diagrama también son partículas. Los físicos a veces las llaman partículas virtuales , pero el concepto de partícula virtual tiene muy poco que ver con el de partícula. Tenga en cuenta que un diagrama de Feynman ni siquiera describe un proceso físico. Es solo una forma de representar alguna fórmula matemática.

¿Por qué los físicos usan ese nombre, entonces? La respuesta es que cuando se habla de cálculos en la teoría cuántica de campos, puede usarse como una metáfora útil . Puedes hablar de diagramas de forma natural como si fueran procesos físicos con el tiempo representado fluyendo de izquierda a derecha y con partículas chocando, creándose, destruyéndose, etc.

En esta metáfora, las partículas virtuales pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz , por ejemplo. Sin embargo, cuando traduce este lenguaje metafórico a las fórmulas reales y las agrega para todos los diagramas, los resultados concuerdan con la relatividad especial. Las partículas reales nunca llegan a ir más rápido que la luz.

En el primero de los diagramas de ejemplo anteriores, los vértices internos se pueden mover para que uno esté a la izquierda del otro, por lo que en nuestra metáfora uno ocurre antes que el otro. Luego podemos volver a moverlos y hacer que el que estaba en la izquierda quede ahora en la derecha. La línea sólida interna que representa un electrón cambiaría de avanzar en el tiempo a retroceder . La metáfora juega bien con esto y nos permite ver el electrón retrocediendo como un positrón (ya que ambos están representados por una línea continua con una flecha hacia la izquierda). Nuevamente, nada de esto es real, es solo una buena manera de hablar sobre algunos cálculos.

En el segundo diagrama, puedes ver un ejemplo de creación y aniquilación virtual de un par electrón-positrón desde y hacia un fotón. Esta es solo una forma elegante de hablar sobre un diagrama en el conjunto de diagramas de Feynman que describen la propagación de un fotón.

Entonces, para resumir y ser muy claro:

En la teoría cuántica de campos no se viola la relatividad especial , y es imposible que cualquier partícula (en particular, los electrones) vaya más rápido que la velocidad de la luz o retroceda en el tiempo.