¿Partículas virtuales reales? ¿Las partículas virtuales crean un universo? [cerrado]

1. El vacío es "vacío" en todos los sentidos precisos de la palabra. Lo que llamamos "partículas" en la teoría cuántica de campos son estados creados por los llamados operadores de aniquilación y creación, que representan "restar" y "añadir" una partícula de cierto tipo a un estado. El vacío libre es por definición precisamente el estado del que no se puede sustraer nada, por lo tanto es "vacío". El vacío que interactúa es, por definición, el estado de energía más bajo, pero no podemos hablar de partículas para estados que interactúan, por lo que no tiene sentido preguntar si está "vacío".

2. El "brebaje hirviendo de partículas" es una mala interpretación de lo que significan las llamadas burbujas de vacío . Son los diagramas de Feynman los que contribuyen a la energía del estado de vacío interactivo, y si las líneas internas de tales diagramas describieran partículas reales, entonces estos diagramas significarían una creación y aniquilación continua de partículas en el vacío. Pero las líneas internas de los diagramas de Feynman no están asociadas a los estados reales de las partículas (es decir, ningún operador de creación/aniquilación de la teoría libre les pertenece), por lo que esto no tiene sentido. No hay partículas en el vacío y no crean un universo.

3. Está malinterpretando los diagramas de Feynman para dar a los legos que leen el libro una imagen mágica y misteriosa, pero sin matemáticas, de lo que trata la teoría cuántica de campos. Esta imagen es casi completamente incorrecta.

4. Es el estado de energía más bajo de la teoría y el comienzo de la llamada teoría de la perturbación. No mucho mas.

Mi ensayo Misconceptions about Virtual Particles explica en detalle la diferencia entre la visión de la ciencia popular de las partículas virtuales que aparecen y desaparecen y la visión de la ciencia física de las partículas virtuales como imágenes útiles (pero literalmente virtuales) para hablar de integrales complicadas para el cálculo de amplitudes de dispersión. De la introducción:

La única forma en que la teoría justifica el lenguaje dinámico habitual para partículas virtuales es como una analogía puramente figurativa en la "realidad virtual", útil para conversaciones informales sobre fórmulas complicadas y para resúmenes superficiales en conferencias que capturan la imaginación de la audiencia.

Esto debe tenerse en cuenta al leer declaraciones en publicaciones científicas profesionales que involucran partículas virtuales. De lo contrario, muchas declaraciones se vuelven completamente engañosas, invitando a una visión mágica de la microfísica y especulaciones extrañas, sin el más mínimo apoyo en teoría o experimento.

Como experimentador, sé que existen partículas elementales, partículas que medimos con nuestros detectores y que a veces son similares a partículas macroscópicas (como una bola de billar), y que a veces muestran un comportamiento estadístico que tiene distribuciones de densidad de probabilidad sinusoidales/ondulatorias (es decir, cuando midiendo muchos de ellos en las mismas condiciones de contorno, las distribuciones de su comportamiento espacial muestran interferencias de tipo ondulatorio ).

Aquí hay un enlace que muestra fotos de cámaras de burbujas de las huellas de partículas elementales.

Una gran acumulación de medidas permitió la formulación de la mecánica cuántica (en contraste con la mecánica clásica) y el desarrollo de modelos matemáticos que pueden describir los comportamientos de dispersión y decaimiento de las partículas elementales y poder predecir otros nuevos. Estos modelos dependen de expansiones en serie e integrales sobre funciones de manera enrevesada, y se simplificaron con las representaciones icónicas de los diagramas de Feynman. Existe una correspondencia uno a uno entre un diagrama de Feynman y un término en la suma para obtener la sección transversal, etc.

Un ejemplo de la dispersión de e+e- yendo a un diagrama de Feynman mu+ mu- muestra las partículas reales medibles en un detector como líneas entrantes y salientes, y un fotón virtual intercambiando energía y cantidad de movimiento y números cuánticos. Es virtual porque una integración está implícita sobre las variables, por lo que, aunque tiene los números cuánticos de fotones, su masa no es cero ni fija porque juega dentro de los límites de integración. Hay muchos diagramas de orden superior con muchos más intercambios, pero este es el nivel del árbol con el coeficiente más alto en la expansión perturbativa.

Por lo tanto, la palabra "virtual" implica "integración dentro de los límites", y contrasta con "real", donde la partícula tiene una masa fija sin cambios y se puede medir en los detectores.

Ahora la teoría de campos se ha desarrollado en una correspondencia uno a uno con las representaciones del diagrama de Feynman, donde todo el espacio tiene operadores llamados operadores de creación y aniquilación que representan los campos. Es una representación matemáticamente satisfactoria para la mayoría de los físicos con inclinaciones teóricas, pero la base sobre la que se valida la teoría de campos son las integraciones del diagrama de Feynman limitadas por las funciones de onda de una ecuación mecánica cuántica específica (Schrodinger, Klein Gordon, Dirac).

En la representación simple de Feynman, se puede entender que el vacío surge de la condición de incertidumbre de Heisenberg . Dentro de los límites de integración de la incertidumbre de Heisenberg pueden existir pares de antipartículas de partículas virtuales, pero eso significa que no son reales, es decir, no están en una capa de masa, porque el vacío tiene muy poca energía disponible y se necesita energía para materializarlos en reales. Que esto sea cierto proviene de cálculos de orden superior que el ejemplo anterior, donde la contribución a las secciones transversales, etc., de estas posibles partículas virtuales es medible.

En una publicación de blog, Lubos Motl habla sobre el vacío , comenzando con la historia y preguntando: "¿El vacío es vacío y aburrido?" enfatizando las leyes de conservación y concluyendo:

Las preguntas sobre los valores de los campos locales pueden producir respuestas inciertas y fluctuantes en la teoría cuántica de campos (estas predicciones solo se vuelven físicas si realmente mide estos observables: nunca puede asumir que los valores preferidos particulares "existen objetivamente" sin ninguna medición). Pero si eres un observador que se preocupa por la energía total o el momento total (o el momento angular total, etc.) del vacío, la situación es muy diferente. La teoría cuántica de campos dice sin ambigüedades (y no hay contradicción con la oración anterior) que, después de todo, el vacío está vacío y es aburrido.

Después de este preámbulo:

1. ¿El vacío está vacío o no?

Depende de la observación particular, y la observación significa intercambios de energía y diagramas de Feynman.

2. ¿Hay partículas en el vacío y pueden crear un universo?

Dependiendo del experimento, sí, habrá efectos medibles de partículas virtuales en el vacío. Por ejemplo, la radiación de Hawking, en la que la energía para poner uno en el caparazón es proporcionada por el campo gravitatorio del agujero negro.

Crear un universo no está dentro del conocimiento actual de la física. Puede ser una hipótesis dentro de la Relatividad General donde la conservación de la energía a veces es discutible.

3. Pero cuando las partículas virtuales son solo un "truco" matemático para calcular algo, ¿qué quiere decir Lawrence Krauss?

Extrapolando en el caso de que la energía no sea una cantidad conservada y esperando que su propuesta sea correcta.

4. ¿Qué pasa con el vacío?

Como se citó anteriormente

si eres un observador que se preocupa por la energía total o el momento total (o el momento angular total, etc.) del vacío, la situación es muy diferente. La teoría cuántica de campos dice sin ambigüedades (y no hay contradicción con la oración anterior) que, después de todo, el vacío está vacío y es aburrido.

La energía tiene que ser proporcionada por interacciones para que el vacío se llene.

Estoy leyendo el libro de Lawrence Krauss "Un universo de la nada", donde explica que el vacío no está vacío. Es un brebaje hirviendo de partículas virtuales que surgen de su existencia. Y pueden crear un universo, incluso un espacio.

Me temo que este es un libro de ciencia pop, es bastante especulativo y "provocativo" .

Pero las partículas virtuales son líneas internas en un diagrama de Feynman. convergen en un vértice y así sucesivamente. Están fuera de Shell.

Así es. Las partículas virtuales son virtuales . No son partículas reales de vida corta que aparecen y desaparecen espontáneamente, como gusanos de barro. No son lo mismo que las fluctuaciones del vacío. Son cuantos de campo. Es como dividir el campo electromagnético de los electrones en pequeños fragmentos abstractos y decir que cada uno es una partícula virtual. Luego, cuando el electrón y el protón forman un átomo de hidrógeno, "intercambian campo" de modo que al átomo de hidrógeno no le queda mucho campo. Pero en realidad no están creando fotones y lanzándolos de un lado a otro. Los átomos de hidrógeno no parpadean.

Soy un laico y no puedo entender claramente sobre estas cosas. Mi pregunta es: ¿El vacío está vacío o no?

No. El espacio no es nada. Y las fluctuaciones del vacío son reales, son el equivalente electromagnético de las pequeñas ondas en la superficie del mar. Pero el espacio no es una masa hirviente de partículas como electrones y positrones o protones y antiprotones o fotones o neutrinos que se crean y destruyen.

¿Hay partículas en el vacío y pueden crear un universo?

No.

Pero cuando las partículas virtuales son solo un "truco" matemático para calcular algo, ¿qué quiere decir Lawrence Krauss?

no sé de improviso. ¿Puedes citar un párrafo en particular? Hasta entonces, en mi humilde opinión, está confundiendo partículas virtuales con fluctuaciones de vacío y haciendo afirmaciones sin fundamento con la intención de elevar su perfil y vender su libro. NB: Anna dijo que la conservación de energía a veces es discutible, pero no estoy de acuerdo con eso. No conozco ninguna situación en la que no se conserve la energía. Además, debo señalar que la radiación de Hawking sigue siendo hipotética después de cuarenta años, y la explicación dada exige partículas de energía negativa . No conozco partículas de energía negativa.

¿Qué pasa con el vacío?

Véase el tensor tensión-energía-momento . "Describe la densidad y el flujo de energía y el impulso en el espacio-tiempo". Puede someter el espacio a presión y esfuerzo cortante. Es como este elástico fantasmal transparente como la ginebra que puedes curvar y hacer cosas.