Partículas virtuales/tuneles cuánticos: ¿conservación de la energía?

Por supuesto, una interpretación habitual de la tunelización cuántica es que la partícula tomará prestada algo de energía del vacío para pasar una barrera infranqueable y luego la restituirá lo antes posible después de cruzar la barrera.

Como muchos otros han dicho, esta es una interpretación válida. Aunque no estoy seguro de que sea necesario.

De hecho, en la tunelización cuántica, lo que realmente difiere de la física clásica per se no es la conservación de la energía (después de todo, se supone que la energía se conserva y la tunelización cuántica en la molécula de NH3 tiene una energía fija, por ejemplo) sino el cruce de barreras.

Lo único que nos dice el efecto túnel cuántico es que no se da el caso de que una partícula cuántica con energía$E$no puede superar una barrera de altura$V > E$, período. Todo lo demás es cuestión de interpretación y gusto creo yo.

Ahora bien, ¿cómo puede una partícula atravesar una barrera si no tiene suficiente energía para saltarla? La respuesta radica, en mi opinión, en el hecho de que una partícula cuántica rara vez tiene una posición definida, incluso cuando su energía está perfectamente definida. Por lo tanto, asumir que un objeto tan inalcanzable pueda permanecer siempre en un lado de una barrera finita sería lo extraño de observar y no al revés.

En primer lugar, lo que debe comprender acerca de la física cuántica es que es una teoría de la probabilidad, no una probabilidad clásica realista, pero sigue siendo una teoría de la probabilidad. Lo segundo que debes entender es que el realismo está mal.

La conservación de la energía en la física cuántica simplemente significa que el hamiltoniano no depende del tiempo. Eso es todo. De esto se deduce que el valor esperado de la energía no cambia en el tiempo. Tampoco deberías imaginar una partícula moviéndose y luego mágicamente aparece algo de energía y la partícula puede saltar a través de algún potencial. Esta es una forma incorrecta de pensar sobre la física cuántica y el teorema de Bell es una clara prueba de ello. Las partículas no tienen propiedades clásicas bien definidas antes de la medición. Cuanto antes te des cuenta de esto, mejor.

Las violaciones temporales de la conservación de la energía están permitidas en la mecánica cuántica. Un sistema puede hacer una transición a un estado que viola la energía de conservación por una cantidad$\Delta E$siempre y cuando permanezca en ese estado por un tiempo menor que$\Delta t$dónde$\Delta E\Delta t \leq \hbar/2$. Esta es una forma del principio de incertidumbre de Heisenberg.

Tiene razón en estar confundido porque estos procesos no conservan energía cuando se toman individualmente . Si tiene suerte, un par de partículas pueden aparecer cerca de usted y puede recolectar su energía de forma gratuita. Sin embargo, lo contrario también es igualmente probable. Imagina que gastas algo de energía y la almacenas en un par de partículas, entonces existe la posibilidad de que estas se aniquilen y pierdas tu energía.

En el nivel de los procesos cuánticos individuales, la energía no se conserva, pero tan pronto como promedias varios procesos, la ganancia y la pérdida de energía se igualan y todo vuelve a estar bien en el mundo.

No hay contradicción experimental porque la energía que puedes ganar por procesos cuánticos accidentales es muy pequeña. Si intenta hacerlo de nuevo hasta que haya acumulado una cantidad significativa de energía, perderá tanto como gane.