Partículas virtuales y leyes físicas

La razón de muchas afirmaciones contradictorias sobre la naturaleza de las partículas virtuales es que a menudo se invocan para explicaciones heurísticas de fenómenos que surgen en el marco de la teoría cuántica de campos. Entonces uno trata de justificar esas explicaciones atribuyendo ciertas propiedades a partículas virtuales que en realidad no poseen.

Qué son realmente las partículas virtuales:

Por definición, una partícula virtual es una línea interna en un diagrama de Feynman. Estos últimos se utilizan en la teoría cuántica perturbativa de campos para facilitar el cálculo de expansiones en serie. Para hacer esto, uno dibuja esos diagramas, para los cuales cada línea y vértice (nudo) tiene una expresión matemática correspondiente precisa que necesita ser escrita. En este nivel del cálculo, no hay interpretación física de un solo diagrama de Feynman, el significado físico solo se adjunta al resultado final del cálculo. Una partícula virtual, que no es más que una línea en un diagrama auxiliar, no tiene ningún significado físico por sí misma.

Cómo se relacionan con cantidades físicamente significativas:

Como se mencionó anteriormente, las partículas virtuales surgen dentro de diagramas en expansiones perturbativas de cantidades que se calculan dentro de la teoría cuántica de campos. Una de esas cantidades sería la energía del vacío (de ahí la afirmación "no hay nada como el espacio vacío"), otras serían las tasas de descomposición de las partículas o las secciones transversales de dispersión, y hay muchos otros ejemplos. Uno puede pensar en las partículas virtuales como contribuciones matemáticas al resultado final del cálculo, pero nada más. Tenga cuidado de no llevar demasiado lejos la analogía de las partículas.

En cuanto a la confusión sobre su realidad:

Dado que ciertos fenómenos en la teoría cuántica (de campos) pueden parecer contrarios a la intuición (p. ej., la energía del vacío), uno se siente más cómodo con una imagen agradable y simple para invocar para explicarlos. Esto es especialmente cierto cuando se explica a los legos, que es esencialmente lo que hace la ciencia popular (como Una breve historia del tiempo) .). Aquí es donde entran las partículas virtuales: dado que contribuyen matemáticamente a la descripción de estos fenómenos, también se utilizan en explicaciones heurísticas. Es fácil imaginar el intercambio de una partícula, o la creación y aniquilación de un par de partículas al poco tiempo. Pero esto no significa que realmente esté sucediendo en la realidad. Es una imagen bonita y sencilla, nada más. Pero si uno quiere ir tan lejos como para tomar en serio su realidad, necesita invocar conceptos adicionales para justificar esto. Esta es la razón por la cual la incertidumbre energía/tiempo se usa a menudo para explicar la existencia de partículas virtuales.

Aquí hay un diagrama de Feynman simple.

dispersión elástica de electrones y electrones si el tiempo es el eje y (dispersión elástica de electrones y positrones si el tiempo es el eje x)

Las partículas reales son las que entran y salen que se pueden medir en un experimento en el laboratorio. El fotón intercambiado se llama virtual.

La diferencia entre partículas reales y partículas virtuales en la definición matemática es que las partículas virtuales están fuera de masa, es decir, tienen todos los números cuánticos que identifican a la partícula por su nombre, pero no la masa, que puede ser positiva, negativa o cero según la integración. . Las partículas reales, excepto sus números cuánticos, también tienen una masa de identificación.

Esto tiene que ser así porque el diagrama de Feynman es una abreviatura simbólica de una integración que tiene lugar sobre todas las variables internas que identifican la sección transversal de la dispersión de dos electrones en dos electrones.

En un sentido muy real, lo que es real y lo que es virtual depende de los valores límite de nuestro cálculo. En este diagrama de electrones positrones aniquilando en dos quarks y un gluon

el electrón y el positrón se conocen en partículas reales de capa de masa, el fotón es virtual y, en un sentido estricto del diagrama de Feynman, dado que los quarks y los gluones no pueden ser libres sino que tienen que unirse con otros quarks y gluones, el saliente también debe considerarse virtual. Allí sustituimos el concepto de chorros de un gluón por dos chorros de quarks, que se pueden medir bien en el laboratorio y bautizar a los tres reales salientes.

La ley física normal que las partículas virtuales violan es la capa de masa, como se explicó anteriormente. Todas las demás cantidades que identifican a las partículas están ahí, por eso podemos tener electrones virtuales y fotones virtuales, es solo la masa la que no se respeta dentro de los límites de los cálculos para las cantidades de interés en una medida física.

El Principio de Incertidumbre de Heisenberg surge cuando contemplamos estados fundamentales en la energía, y existen diagramas donde el vacío está compuesto por partículas virtuales que se crean y aniquilan, porque nunca podemos medir la energía cero debido a la incertidumbre de Heisenberg. No hay nada que restrinja la masa para el HUP, por lo que no hay conflicto al describir situaciones con tales partículas virtuales. Hay pocas situaciones en las que se pueda medir el efecto de las fluctuaciones del vacío, una de ellas es la radiación de Hawking. Otro es el Efecto Casimir .

Editar después de los comentarios :

Esta pregunta sobre el significado de "virtual" surge una y otra vez, y creo que la confusión surge debido a la tendencia de la mayoría de nosotros a mezclar tres marcos diferentes:

1) Un marco son los diagramas simbólicos de Feynman,

2) el segundo es el marco matemático de integrales dentro de integrales en cualquier cálculo de sección transversal, etc.

3) y el tercero es el marco de medición/físico/laboratorio.

Con gran ingenio, Feynman tomó las integraciones complicadas en los cálculos de dispersión antes de su "invención" de los diagramas e hizo una correspondencia uno a uno del marco matemático con un sistema consistente de diagramas con reglas para convertir a integración. Esto simplificó enormemente la configuración del programa para los cálculos.

Luego viene la identificación de las parcelas simbólicas al marco de laboratorio/medición. Esto se hace tomando los valores iniciales del experimento bajo consideración y prediciendo los valores para el resultado del experimento.

Los estados inicial y final son los que se miden en el laboratorio y clavan las matemáticas en la realidad/experimento, y por lo tanto, las líneas entrantes y salientes en los diagramas se denominan "reales".

Las líneas intermedias se llaman partículas virtuales porque, como una imagen óptica virtual, son análogas a las partículas reales porque llevan todos los números cuánticos de las partículas reales excepto la masa, están fuera de la capa de masa.

Por lo general, los tres marcos no están lógicamente separados porque no hay necesidad, no hay problema si uno es descuidado sobre si está hablando de matemáticas o diagramas o mediciones de laboratorio. Los cálculos encajan y eso es todo.

La confusión surge al pensar en el vacío y en la radiación de Hawking.

Podemos dibujar diagramas de Feynman que corresponden a la energía de punto cero con partículas virtuales sin líneas entrantes y salientes. Los valores límite están dados por el principio de Incertidumbre de Heisenberg, que es la correspondencia con la realidad física (no ha sido invalidado como postulado para el modelado matemático de la física de partículas elementales con la teoría cuántica de campos). Así tenemos los tres marcos.

Al preguntar si pueden salir partículas reales, es una pregunta para el primer y segundo marco, los diagramas y los cálculos matemáticos asociados. La respuesta es sí, si se puede suministrar energía por encima de la incertidumbre HUP, y eso es lo que permite la hipótesis de la radiación de Hawking para los agujeros negros. Todavía está en los dos primeros marcos, una predicción matemática, hasta que algún experimento ingenioso pueda mostrar la radiación proveniente de un agujero negro.