¿Son las partículas virtuales solo una herramienta ficticia en las ecuaciones?

No hay "acción a distancia" en la naturaleza. La atracción de un trozo de hierro por un imán, la atracción entre cargas eléctricas distantes de signo contrario, tiene que estar mediada por algo. Las partículas virtuales se proponen como explicación.

Si tienen un efecto observable, parece que deben existir. Si es así, ¿por qué los llamamos virtuales? No puede ser que tengan vidas cortas, ya que hay partículas de vida corta (resonancias) que no llamamos "virtuales".

Por otro lado, algunas personas dicen que las llamadas partículas virtuales solo existen en el papel, o que son solo una técnica para ayudarnos a manejar nuestras ecuaciones.

Entonces, ¿cuál es el significado de la palabra "virtual" aquí? ¿Existen realmente estas partículas, o no?

"No hay una 'acción a distancia' en la naturaleza". - Esa es una afirmación audaz. Además, ¿cuál sería la diferencia entre una acción a distancia y una acción mediada por algo indetectable (es decir, partículas virtuales)?
Echa un vistazo a esto .
A la MenteCuriosa: Me sorprende que alguien pueda poner en duda "no hay acción a distancia". No creo que pueda haber duda, sin embargo, dígame por favor cuáles son sus pensamientos detrás de su duda.
(continuación) En cuanto a su pregunta, me parece una cuestión de definición. Un objeto que no podemos tocar con la mano, pero vemos su efecto, es observado indirectamente. Dado que estas llamadas partículas virtuales hacen posible la influencia mutua de cargas distantes, ESTO es equivalente a su detección. Es una mala detección, preferiríamos atraparlos, pero por el momento esto es lo que tenemos.
Decir "No hay acción a distancia" definitivamente no es una verdad evidente. Antes del advenimiento de las teorías cuánticas de campos, no habría tenido la noción de partículas (virtuales) para transmitir fuerzas. El electromagnetismo clásico se parece a la acción a distancia: hay una carga allí e influye en lo que siento aquí . Pero la presencia de fuerzas entre cargas no equivale a detectar partículas virtuales. Las partículas virtuales, dado que ellas mismas no pueden ser detectadas, equivalen a decir que hay acción a distancia.
@ACuriousMind: el electromagnetismo clásico definitivamente no es una acción a distancia: todas las influencias ocurren de acuerdo con los potenciales retardados. Si hago algo aquí, el efecto en el campo de allí solo ocurre después de que haya tenido tiempo de propagarse allí.
@JerrySchirmer: Pensé que OP estaba hablando de "acción a distancia" en contraste con "acciones mediadas por partículas". Tienes razón en que la EM clásica no es acausal , por supuesto (... eso es lo que estás diciendo, ¿no?). Pero si estuviéramos hablando de eso, entonces esta pregunta no tiene sentido, ya que no se necesitan partículas para que una teoría sea causal.
@ACuriousMind: es justo, supongo que no distingo demasiado entre "partícula" y "forma de onda que se mueve a través del campo de fondo"
"Uno no puede tomar una fotografía de una imagen virtual" @annav, ¿qué quieres decir? Seguramente se puede tomar una fotografía de la esfera reflectante y la imagen virtual de los objetos que la rodean.
@JánLalinský Mi uso incorrecto. Debería haber dicho: no se puede tomar una fotografía de los rayos ópticos que forman una imagen óptica virtual. Borraré el comentario porque parece engañar a otros.
En física, la palabra "virtual" se usa para enfatizar la irrealidad en las imágenes ópticas: la información de la luz llega al ojo pero faltan los otros atributos del objeto en la imagen que lo hacen "real", masa, etc. No se pueden fotografiar los rayos ópticos que forman la imagen, aunque la imagen se fotografiará. En un sentido similar, las partículas virtuales que constituyen el resultado final del cálculo del diagrama de Feynman no son reales, aunque su cofluencia describe la medición.

Respuestas (4)

Las partículas virtuales se refieren a características reales distintas de cero en los campos cuánticos de objetos reales, pero son características que no son partículas en muchos sentidos, por lo que no debe esperar nada de que se denominen "partículas".

Básicamente, la idea de las partículas virtuales se inventó como un dispositivo para cuando quieres mantener la imagen de la partícula mientras haces física cuántica. Tenga en cuenta que sabemos que en realidad nada es realmente una partícula, sino que los campos cuánticos son los objetos fundamentales. Podemos derivar movimientos similares a partículas en campos, pero los campos también muestran otros comportamientos. Si insiste en que todo sea de alguna manera una partícula, entonces estos otros comportamientos deben reconocerse y tratarse con cuidado. Alguien decidió que se llamarían "partículas virtuales".

Por ejemplo, tome un átomo de hidrógeno, un protón unido y un electrón. Seguramente hay un campo electromagnético real dentro del átomo, manteniéndolo unido. Este campo electromagnético ciertamente no es una partícula en ningún sentido clásico. Con los campos cuánticos podemos elegir representar el campo electromagnético en términos de fotones (es decir, usando una base de estados similar a la de los fotones para describir el campo). Pero al hacerlo, vemos que los fotones dentro de un átomo de hidrógeno no son como los fotones radiantes familiares en el espacio libre, sino algo más, virtual de alguna manera.

Una vez más, lo único que es fundamental y real es el campo cuántico , al que no le importa ninguna distinción que decidamos hacer entre partículas reales y virtuales, o entre partículas y ondas. Sin embargo, nos gusta inventar nombres divertidos para ayudarnos a enfrentar la realidad. Pero quizás el término "partícula virtual" es más engañoso que útil.

Las partículas virtuales son líneas en un diagrama de Feynman, no corresponden a ningún estado de ningún campo.
No soy especialista en teoría de campos. Como dice Nanite, el campo parece más apropiado para trabajar y, por supuesto, en diferentes casos, la imagen de partículas es bastante conveniente. Pero, campo o partícula, no importa, ¿hay MATERIA entre las dos partículas cargadas y distantes entre sí?
@ACuriousMind: te das cuenta de que este es el diagrama de Feynman equivalente al "cállate y calcula la interpretación" de la mecánica cuántica. Decirle a la gente que se supone que no deben pensar siempre es una mala idea.
@ACuriousMind, si las partículas virtuales son solo líneas en un diagrama, significa que son realmente virtuales, y no solo "indetectables" como dijiste en tu comentario al OP.
sin embargo, estas características "no-partículas" tienen algún tipo de correspondencia con representaciones irreducibles como fotones y electrones.

Las partículas virtuales no son observables por definición. Representan "líneas internas" en los diagramas de Feynman. Por ejemplo, este diagrama:

Aquí dos electrones se mueven uno hacia el otro, interactúan y luego se alejan el uno del otro. Las líneas externas representan electrones "reales" que podemos medir/observar. La línea interna aquí es una excitación del campo electromagnético que llamamos "fotón virtual". Del mismo modo, los electrones/quarks/gluones/etc. virtuales. todos corresponden a líneas internas en los diagramas de Feynman. Entonces, las partículas virtuales no son observables por definición. Si fueran observables, no serían virtuales.

Solo para jugar al abogado del diablo, ¿no puede decir que los observamos verificando experimentalmente que las probabilidades calculadas por los diagramas de Feynman son correctas? Esta es ciertamente una verificación tan concreta como cualquiera que tengamos para el bosón de Higgs.
@PeterShor: lo que es observador es la suma de todos los diagramas de Feynman, en todos los órdenes. No hay ningún proceso que corresponda a un diagrama de árbol, un diagrama de bucle, etc. Las partículas virtuales son solo una herramienta de cálculo. Ellos no existen.
@Jerry: nuevamente jugando al abogado del diablo, entonces si no existen, ¿cómo diablos el universo termina con las probabilidades correctas para los procesos en la física de partículas? ¿Usa Dios partículas virtuales simplemente como una herramienta de cálculo y luego tira los dados para decidir qué sucede? Einstein no estaría de acuerdo :-).
@PeterShor: nada te obliga a calcular amplitudes usando la teoría de la perturbación. Si no lo usa, entonces nunca necesitará invocar diagramas de Feynman y partículas virtuales.
@Jerry: entonces, ¿cómo debo calcular las amplitudes? Creo que esto está llegando al verdadero corazón de la pregunta.
@PeterShor: depende del formalismo que estés usando. Si haces QCD de celosía, puedes calcular directamente la integral de trayectoria. Independientemente, si está haciendo teoría de campos perturbativos, la pregunta de cuántas partículas virtuales hay y qué "caminos" toman no tiene sentido. No sucede ningún diagrama, solo la suma de todos ellos.
A todas las personas que amablemente consideraron mi pregunta: al juzgar la física soy materialista, considero que todas las propiedades y acciones que observamos pertenecen a la MATERIA. Postular la acción a distancia no me parece aceptable por la siguiente razón. La materia, aunque tan variable, tiene una forma única de lidiar con cierto tipo de problema, es decir, por ejemplo, en un dieléctrico transmite un campo de dipolo atómico a dipolo atómico. En el vacío es probable que haga lo mismo.
(continuación) Quiero decir, es plausible que en el vacío la transmisión se haga de un dipolo electrón-positrón a otro.
@Sofia ¿Por qué el voto negativo? Nada de lo que dije es inexacto.
@jld: tal vez alguien pensó que su respuesta no tenía contenido. "Entonces, las partículas virtuales no son observables por definición. Si fueran observables, no serían virtuales". Suena como una tautología sin sentido.
@PeterShor ¿Cómo es una tautología decir que algo es verdadero por definición?
Parece que está diciendo que todo lo que no se observa realmente (es decir, no es una línea externa en un diagrama de Feynman) es, por definición, virtual. Entonces, las partículas son virtuales porque no se observan, y las partículas no se observan porque son virtuales. Y no existen porque no podemos observarlos porque si los observáramos, entonces, por definición, no serían virtuales.
@PeterShor Parece que te estás esforzando para que suene absurdo. Las partículas virtuales son líneas internas por definición. Las líneas internas no se observan por definición. Por lo tanto, las partículas virtuales no se observan por definición. No es complicado, y no es circular. Observe también que nunca dije "las partículas son virtuales porque no se observan". Eso simplemente no se sigue de la lógica.
@jld: ¿cuál es la definición de una línea externa si no es algo que se observe? Y así una línea interna es algo que no se observa.
@PeterShor Una línea externa no requiere observación, como parece implicar. Eso es mala lógica. Las líneas externas corresponden a partículas que se pueden observar, pero no necesariamente.
Pero si una línea externa alguna vez interactúa con otra partícula, ¿no se convierte automáticamente en una línea interna en un diagrama de Feynman más grande? Y si no lo observamos, ¿no interactuará?
Permítanme comentar que no creo que la respuesta sea mala, y creo que refleja con precisión la sabiduría convencional. Solo estaba tratando de dar una posible respuesta a "¿Por qué el voto negativo?" Y como probablemente habrás deducido, tampoco creo que la sabiduría convencional sea muy sabia.
@PeterShor Veo lo que está diciendo, que cualquier cosa con la que interactuemos debe ser un poco fuera de lugar, pero creo que está llevando la interpretación de los gráficos de Feynman demasiado lejos. Son solo herramientas de aproximación. Las partículas tampoco están "realmente" en estados propios de impulso. Si tuviera que describir lo que "realmente" está pasando, no usaría la teoría de la perturbación o las partículas virtuales para empezar.

Los verdaderos mediadores de fuerzas son los campos cuánticos.

Una discusión completa de las partículas virtuales y sus propiedades (y posible forma de existencia) se da en los siguientes dos ensayos míos recientes:

La física de las partículas virtuales

Conceptos erróneos sobre las partículas virtuales

De la introducción al segundo ensayo:

Las partículas virtuales se definen como (imágenes intuitivas para) líneas internas en un diagrama de Feynman. Su nombre deriva por analogía a las líneas externas, que pueden estar vinculadas a partículas estables o inestables observables. El vector de 4 momentos de una partícula virtual tiene el significado físico de una variable de integración en la integral correspondiente al diagrama, y ​​toma todos los valores posibles, haciéndolo fuera de la cáscara.

No se pueden crear estados que involucren partículas virtuales ya que la teoría cuántica de campos tiene operadores de creación solo para partículas observables cuyo 4-momentum satisface la restricción de capa de masa. A falta de un estado, las partículas virtuales no tienen ninguna de las características físicas habituales de las partículas reales: no se puede decir que existan en el espacio y el tiempo, no tienen posición, no tienen probabilidades significativas de ser creadas o destruidas en ningún lugar, no tienen tiempo de vida, no pueden causar algo, interactuar con algo o afectar algo. Por lo tanto, tampoco hay dinámica, velocidad de movimiento o líneas de mundo. (En física, la dinámica siempre está ligada a estados y una ecuación de movimiento. Tampoco existe para partículas virtuales). [...]

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 la teoría o el experimento.

Esto es solo la punta de un iceberg....

Si bien este enlace puede responder la pregunta, es mejor incluir las partes esenciales de la respuesta aquí y proporcionar el enlace como referencia. Las respuestas de solo enlace pueden dejar de ser válidas si la página enlazada cambia. - De la revisión
Escribí en mi ensayo allí sólo lo esencial. Uno realmente necesita una discusión extensa para aclarar todas las cosas que normalmente surgen en las discusiones: las respuestas cortas no pueden hacer justicia al problema. Pero agregaré un poco del segundo artículo.
bueno, los virtuales hacen un seguimiento de los números cuánticos de su nombre.
@annav: Sí, es un dispositivo de contabilidad, no algo real.

Puede buscar la definición de una partícula virtual en cualquier libro de texto o respuesta jld: s, ya que es solo una definición.

Sobre la existencia de cualquier cosa, se convierte inmediatamente en un problema ontológico y está sujeto a interpretación. Con el advenimiento de la mecánica cuántica, sus oponentes exigieron la realidad. En 2016, se busca la realidad de los fotones o partículas virtuales en StackExchange Physics.

Diría que las partículas virtuales son tan reales como las partículas reales, en la medida en que tiene sentido hablar de la realidad de los objetos físicos.

Sin embargo, hay algunas complicaciones en el asunto.

  1. Es muy difícil definir partículas con interacciones. Dado un sistema electrónico con algunos grados de libertad y un sistema de fotones con algunos grados más de libertad, la evolución cuántica hace que todas las imágenes exactas de partículas individuales desaparezcan/no sean válidas. Por ejemplo, eliminar un electrón de un átomo requiere 5 eV de energía, esa energía consistía en una gran cantidad de interacciones virtuales de fotones, etc. No era solo la energía del electrón. Las partículas son solo herramientas aproximadas para comprender los campos cuánticos de todos modos. Por eso toda la confusión en '¿Qué es realmente el fotón?' pregunta y toda la confusión acerca de las dualidades partícula-onda y tal. Creo que Higgs es solo una resonancia de un campo y siempre virtual ya que no se observa directamente. Pero nadie dice que Higgs no es real (yo tampoco).

Hay una bonita cita de Pauli:

De sus demandas por un futuro [. . . ] teoría de campos, la demanda: “Una sola partícula debería aparecer como una solución trivial de las ecuaciones básicas” (de la cual sé que ha sido su demanda favorita durante meses) parece bastante cuestionable, ya que una partícula cargada no es nada trivial. (Pauli a Heisenberg, 16 de julio de 1934)

fuente

  1. Las partículas que se propagan asintomáticamente libres son más fáciles de definir, ya que ya no interactúan. Los polos de sus propagadores son como puntos, dando energía y momento bien definidos, por ejemplo. Toda la teoría de la dispersión se basa en estos estados asintóticos de partículas libres y cualquier interacción que pueda ocurrir durante la dispersión se denomina virtual.

  2. Que algo sea difícil no lo convierte en real/virtual . No estoy de acuerdo con la mayoría de los argumentos acerca de que las partículas virtuales no son reales. Siguen las mismas ecuaciones de movimiento (ellos "son"/son descritos por el mismo propagador), y qué pasa si no están en su capa de masa. Si algo se comporta mecánicamente cuánticamente y debido a las interacciones ha perdido su imagen de partícula única, eso no lo hace menos real que la solución asintótica especial de la partícula en el espacio libre.

Y alguna discusión más suelta

Siempre existe la "relatividad del estado cuántico" (acabo de inventar esa palabra) en la mecánica cuántica. Si considera que es un detector o que está dentro de su matriz de dispersión, entonces usted mismo se convierte en una colección virtual de propagadores. Entonces, lo que está dentro y fuera de un sistema cuántico debe definirse. (Por lo general, es trivial en un experimento normal). Ahora definimos que lo que sucede dentro se llama virtual y lo que viene/va desde/hacia afuera se llama real porque nosotros, como humanos, seguimos insistiendo en la realidad clásica. Como en los años 20.

¿Son las partículas virtuales solo una herramienta ficticia en las ecuaciones?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v