Me han dicho que el vacío no es en realidad un espacio vacío, sino que consiste en pares de antipartículas que se materializan espontáneamente y luego se aniquilan rápidamente, lo que me lleva a algunas preguntas.
En primer lugar, ¿es esto cierto? Y en segundo lugar, si es así, ¿de dónde vienen estas partículas?... (¿las partículas tienen que venir de alguna parte?)
No creo que la imagen partícula-antipartícula sea muy buena para entender lo que está pasando. Esencialmente, es una consecuencia de la energía de punto cero . En la física clásica, el estado de energía más bajo de un sistema, su estado fundamental, es cero. En la mecánica cuántica, es un valor distinto de cero (pero muy pequeño). La forma más fácil de ver cómo surge esta energía de punto cero es a través de un problema elemental que es la mecánica cuántica, el oscilador armónico cuántico. El oscilador armónico clásico es un sistema en el que existe una fuerza restauradora proporcional al desplazamiento. Por ejemplo, un resorte: cuanto más tira del extremo de un resorte, más fuerza resiste el resorte a su tirón. Modelar este sistema en física clásica es muy fácil.función de onda , que codifica las probabilidades de encontrar la partícula en ciertas posiciones. Otra propiedad de los sistemas cuánticos es que sus energías vienen en niveles de energía discretos. Si te interesa saber cómo funciona, puedes verlo aquí . Puede derivar el siguiente resultado para los niveles de energía de la partícula
En un ejemplo práctico, el helio líquido no se congela bajo presión atmosférica a ninguna temperatura debido a su energía de punto cero. Una cosa muy importante a tener en cuenta es lo siguiente: la energía de punto cero no viola la conservación de la energía . Una explicación común es que el principio de incertidumbre permite que las partículas lo violen '¡si son lo suficientemente rápidos!'. Esto simplemente no es cierto. De la página Wiki sobre la conservación de la energía:
En mecánica cuántica, la energía de un sistema cuántico se describe mediante un operador autoadjunto (Hermite) llamado hamiltoniano, que actúa sobre el espacio de Hilbert (o un espacio de funciones de onda) del sistema. Si el hamiltoniano es un operador independiente del tiempo, la probabilidad de aparición del resultado de la medición no cambia en el tiempo a lo largo de la evolución del sistema. Por lo tanto, el valor esperado de la energía también es independiente del tiempo. La conservación de la energía local en la teoría cuántica de campos está asegurada por el teorema cuántico de Noether para el operador tensor de energía-momento. Tenga en cuenta que debido a la falta del operador de tiempo (universal) en la teoría cuántica, las relaciones de incertidumbre para el tiempo y la energía no son fundamentales en contraste con el principio de incertidumbre de la cantidad de movimiento de la posición, y simplemente se cumplen en casos específicos (ver Principio de incertidumbre). La energía en cada tiempo fijo se puede medir con precisión en principio sin ningún problema causado por las relaciones de incertidumbre de la energía del tiempo. Así, la conservación de la energía en el tiempo es un concepto bien definido incluso en la mecánica cuántica.
Ahora, a su pregunta: en la teoría cuántica de campos, todas las partículas se modelan como excitaciones de campos. Es decir, cada partícula tiene un campo asociado. Para las partículas que transportan fuerzas, estos son los campos de fuerza familiares, como el campo electromagnético. Los campos toman un valor en todas partes del espacio. Ahora, en la mecánica clásica, este valor sería cero en la mayoría de los lugares. Sin embargo, como vimos anteriormente, el estado fundamental de un campo cuántico es distinto de cero. Entonces, incluso en un espacio vacío (o 'espacio libre') estos campos tienen un valor muy pequeño. Entonces, el espacio vacío tiene energía de vacío .
No pasa nada; el vacío es completamente inerte.
En la teoría cuántica de campos, el vacío es el estado que contiene exactamente cero partículas en cualquier lugar del espacio y en todo momento. Dado que es un estado propio del operador numérico, no hay ninguna incertidumbre al respecto.
Las partículas virtuales no existen en el tiempo, excepto en un sentido (literalmente) figurativo. No tienen estados asociados, por lo tanto no hay expectativas, probabilidades, incertidumbres. Consulte https://www.physicsforums.com/insights/misconceptions-virtual-particles/
Su pregunta se ha abordado en dos artículos de physics.stackexchange: son-partículas-elementales-en realidad-más-elementales-que-cuasipartículas y cuál-es-la-relación-entre-string-net-theory-y-string-m- teoría
En resumen, el vacío no es inerte sino un medio dinámico. El efecto Casimir ha demostrado experimentalmente que el vacío es de hecho un medio dinámico. Como medio dinámico, el vacío puede tener movimientos, que es la onda en el vacío. Esas ondas son excitaciones colectivas que corresponden a las partículas elementales en el vacío. El orden en tal medio vacío determina la naturaleza de las partículas elementales. Por ejemplo, si el medio vacío es una cuerda cuántica líquida (con orden topológico ), su onda satisfará la ecuación de Maxwell que corresponde a los fotones. Los extremos de las cuerdas corresponderán a electrones/quarks.
Fabian
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