¿Las fluctuaciones de vacío realmente ocurren todo el tiempo?

Las partículas no aparecen constantemente de la nada y desaparecen poco después. Esta es simplemente una imagen que surgió al tomar literalmente los diagramas de Feynman. Calcular la energía del estado fundamental del campo, es decir, el vacío, implica calcular el llamado valor esperado de vacío. En la teoría de perturbaciones, esto se logra sumando los diagramas de Feynman. Los diagramas de Feynman involucrados en este proceso contienen líneas internas, que a menudo se denominan "partículas virtuales". Sin embargo, esto no significa que uno deba ver esto como una imagen real de la realidad. Vea mi respuesta a esta pregunta para una discusión sobre la naturaleza de las partículas virtuales en general.

Creo que es posible dar una guía para principiantes sobre lo que significan las fluctuaciones del vacío, pero necesariamente implica tomarse algunas libertades, así que tenlo en cuenta en lo que sigue.

Antes de comenzar, recordemos el siguiente punto clave sobre las superposiciones. Supongamos que tenemos un operador$\hat{n}$con funciones propias$\psi_i$y lo colocamos en una superposición:

Luego, cuando hacemos una medición del sistema usando nuestro operador$\hat{n}$la suposición colapsará y la encontraremos en uno de los estados propios$\psi_i$. La probabilidad de encontrarlo en ese estado es$a_i^2$.

Ahora supongamos que hacemos una medición, luego volvemos a poner el sistema en la misma superposición y hacemos una segunda medición, y seguimos repitiendo esto. Nuestras medidas arrojarán diferentes resultados dependiendo de cuál de los estados propios colapsa la superposición, por lo que parece que nuestro sistema fluctúa, es decir, cambia con el tiempo. Pero, por supuesto, no lo es: así es como funciona la medición cuántica, y veremos que algo similar a esto es responsable de las aparentes fluctuaciones del vacío.

Ahora pasemos a la teoría cuántica de campos y, como de costumbre, comenzaremos con un campo escalar que no interactúa, ya que es el caso más simple. Cuando cuantificamos el campo encontramos que tiene un número infinito de estados. Estos estados se denominan estados de Fock y estos estados de Fock son vectores en un espacio de Fock, al igual que los estados para QM regulares son vectores en un espacio de Hilbert. Cada estado de Fock tiene un número bien definido de partículas, y hay un operador numérico$\hat{n}$que devuelve el número de partículas para un estado. Hay un estado de vacío.$\vert 0 \rangle$que no tiene partículas, es decir$\hat{n}\vert 0\rangle = 0$.

Supongamos que consideramos un estado del campo escalar que es una superposición de estados de Fock con diferente número de partículas:

Si aplicamos el operador numérico colapsará aleatoriamente la superposición a uno de los estados de Fock y devolverá el número de partículas en ese estado. Pero debido a que este es un proceso aleatorio, si repetimos el experimento obtendremos un número diferente de partículas cada vez y parece que el número de partículas en el estado fluctúa. Pero no hay nada que fluctúe en nuestro estado.$\vert X\rangle$y las fluctuaciones aparentes son solo una consecuencia del colapso aleatorio de una superposición.

Y a estas alturas probablemente ya hayas adivinado a dónde voy con esto, aunque debemos aclarar algunos puntos. El campo libre es un objeto matemático conveniente que no existe en la realidad: todos los campos reales interactúan. Los estados de los campos que interactúan no son estados de Fock y no viven en un espacio de Fock. De hecho, sabemos muy poco acerca de estos estados. Sin embargo, podemos intentar representar el vacío de un campo interactivo$\vert \Omega\rangle$como una suma de estados de Fock de campo libre, y si hacemos esto, entonces aplicamos el operador numérico a$\vert \Omega\rangle$devolverá un valor efectivamente aleatorio, tal como lo haría para una superposición de estados de campo libre.

Y esto es lo que queremos decir con fluctuaciones de vacío para un campo interactivo. No hay nada que fluctúe en el estado del vacío, sin embargo, las mediciones que hagamos arrojarán valores aleatorios que dan la apariencia de una fluctuación dependiente del tiempo. Es la medida la que fluctúa, no el estado.

He usado el ejemplo del operador numérico aquí, pero es difícil ver cómo el operador numérico corresponde a cualquier medida física, así que tome esto solo como un ejemplo conceptual. Sin embargo, el proceso que he descrito afecta las medidas físicas reales y sucede siempre que el vacío no sea un estado propio de lo observable medido. Para ver un ejemplo de esto, eche un vistazo a Observación de fluctuaciones de punto cero en un cruce de túnel Josephson con derivación resistiva , Roger H. Koch, DJ Van Harlingen y John Clarke, Phys. Rev. Lett. 47, 1216 disponible en formato PDF aquí .

Las fluctuaciones de vacío existen, pero no están sucediendo. Toda la imaginería popular que rodea la noción de las fluctuaciones del vacío (y las partículas virtuales asociadas) no está respaldada por las matemáticas detrás de la teoría cuántica de campos. Se creó únicamente con el propósito de ilustrar conceptos abstractos para una audiencia a la que le gustan las imágenes y el misterio, pero que no comprende la esencia de la mecánica cuántica. Tomar en serio estas imágenes conduce a una serie de dificultades insuperables. Ver mi ensayo '' El mito de la fluctuación del vacío ''.

Es cierto que el vacío debería ser un estado propio del hamiltoniano interactivo completo . Pero como se ve desde la perspectiva del hamiltoniano de la teoría libre (todas las interacciones se tratan como perturbaciones en torno a esta teoría libre), el estado fundamental real está "vestido" por muchas fluctuaciones de vacío sobre el estado fundamental libre .

Las fluctuaciones de vacío existen, pero no son una declaración sobre la dinámica (la evolución temporal) del sistema. Esto es cierto para las fluctuaciones cuánticas en general. El estado del sistema puede muy bien ser estacionario, aún así habrá fluctuaciones cuánticas presentes. Una afirmación más correcta es: las fluctuaciones cuánticas surgen si el observable medido es tal que el estado del sistema no tiene un valor definido de ese observable (en términos matemáticos, no es un estado propio del operador que representa el observable).

La mejor manera de controlar los efectos cuánticos impares es ver qué significaría físicamente el efecto.

Una predicción hecha a partir de la idea de la fluctuación del vacío es que un campo eléctrico lo suficientemente fuerte debería polarizar esas fluctuaciones. En este caso estamos hablando de polarizar pares virtuales electrón-positrón. Este efecto se llama polarización del vacío .

Otra implicación es la idea de que dos placas conductoras colocadas lo suficientemente juntas deberían excluir algunas de las fluctuaciones cuánticas. En este caso estamos hablando de que los fotones virtuales están restringidos. Esto se llama el efecto Casimir.

Una de las rarezas de la mecánica cuántica es que (en cierto sentido) la posibilidad de que suceda algo puede influir en lo que realmente sucede. Feynman tiene una gran descripción de esta idea llamada la formulación integral de trayectoria de la mecánica cuántica .

Soy un gran admirador de la explicación de nivel popular del enfoque de integral de trayectoria en su libro QED: Una extraña teoría de la luz y la materia.

Solo para ofrecer una interpretación diferente, desde la perspectiva de la integral de trayectoria es muy natural hablar de fluctuaciones de vacío. Para ser rigurosos, las teorías de campos reticulares discretizan el espacio-tiempo para que la integral de trayectoria esté bien definida. Tenemos amplia evidencia de que las teorías de campos de celosía (en particular, QCD de celosía) son una forma correcta de formalizar los aspectos no perturbadores de las teorías de campos cuánticos, por ejemplo, vea un gráfico de este artículo (ahora antiguo)

donde podemos ver que la red QCD predice correctamente el espectro de luz de QCD. Ahora, las mediciones de los operadores en el vacío (por ejemplo, el condensado quiral$\langle \Omega | \overline{q} q | \Omega \rangle$se llevan a cabo en principio mediante la realización numérica de integrales tales como:

Cada cuadro del gif anterior correspondería a una configuración de indicador único que aparece en la integral de ruta, en la que mediría algunos observables (como$\overline{q} q$). Otra forma de pensar en esto es que los instantenes (que son configuraciones de calibre topológicamente no triviales espacialmente extendidas) no pueden aparecer en la teoría de la perturbación, y se espera que contribuyan proporcionalmente a$e^{-1/g^2}$a cantidades físicas, pero en la red sí vemos fluctuaciones instantáneas, donde aparecen en nuestra medida integral de trayectoria. Esto es crucial para la comprensión de la QCD no perturbativa.

Anexo: también solo para mencionar, puede en redes finitas (en principio) comparar el estado de vacío que interactúa$| \Omega \rangle$al estado de vacío libre$|0 \rangle$(la que ingenuamente diríamos que no contiene 'nada'), y vemos que son diferentes. De hecho, el teorema de Haag (o al menos una parte de él) nos dice que su superposición tiende a cero cuando tomas el volumen infinito y los límites continuos. Creo que es una buena intuición pensar en el vacío que interactúa como si contuviera fluctuaciones, siempre y cuando puedas ser preciso sobre lo que quieres decir.

La mayoría de las respuestas anteriores argumentan que no hay fluctuaciones cuánticas reales. No obstante, observamos el efecto de las fluctuaciones cuánticas de campos en el fondo cósmico de microondas y en estructuras a gran escala (telaraña cósmica).

De acuerdo con las teorías cosmológicas modernas, las fluctuaciones cuánticas de los campos sirven como semillas para las faltas de homogeneidad actuales en el universo. Debido a la rápida expansión durante la inflación, podemos pensar en estas faltas de homogeneidad como una instantánea de los valores de campo durante ese tiempo.

Por supuesto, no sabemos realmente qué sucedió hace 15 mil millones de años, pero si confiamos en nuestros modelos, la fluctuación cuántica real en los valores de campo es necesaria para describir el universo observado.

Para obtener más detalles, puede consultar las notas de esta conferencia o el libro del Prof. Mukhanov.

No es necesario que el vacío fluctúe todo el tiempo, pero se puede decir la probabilidad de tener una fluctuación de vacío en este punto .$x,t$es distinto de cero

Para el estado fundamental de un modo de cierta frecuencia omega, en realidad hay continuamente un número infinito de modos posibles de ondas planas, cada uno con un vector k apuntando hacia una dirección diferente en el espacio. No es cierto que la fase no importa. Sí, es cierto que el valor absoluto de la fase no tiene significado físico, pero la fase relativa entre dos ondas importa. Dado que las fases relativas de un número continuamente infinito de ondas son aleatorias. El resultado neto es un campo de vacío fluctuante.

También hay un viejo mito que dice que "un fotón solo interfiere consigo mismo". Ha pasado mucho tiempo desde que los latidos cuánticos observados causados ​​por la interferencia de la radiación emitida con dos frecuencias diferentes en átomos de tres niveles desmintieron este mito.

Creo que el malentendido es la nomenclatura. Hay un efecto físico sobre las cosas en el espacio "vacío", es decir, el efecto Casmir... Existe algún tipo de campo submicroscópico fluctuante. Se ha medido, y algunos, incluyéndome a mí, creen que la realidad de la materia (energía, información) es algún tipo de manifestación de este campo o éter. El descubrimiento reciente del arrastre de fotogramas, entre otras cosas, muestra una especie de campo que de alguna manera manifiesta todo. Llámalo como quieras, pero obviamente el universo no avanza sin algún tipo de energía de entrada o un mar de energía potencial del que se deriva el mundo físico. Tienes razón cuando dices que no puedes conseguir algo a cambio de nada, así que algo tiene que impulsar las fuerzas de la naturaleza, la manifestación de la materia y la energía, simplemente no funciona.

No es un evento finito, no hay fluctuaciones individuales, hay infinidad de ellas, que no se pueden observar, solo los efectos. Cuando no hay nada que fluctúe, ni tiempo ni espacio, entonces se produce el big bang. Esencialmente, las fluctuaciones de energía se dividieron por nada.

Esperaría que la ecuación opuesta tuviera exactamente los resultados opuestos. Mientras que las infinitas fluctuaciones de energía pasan 0 tiempo fuera del espacio-tiempo, si multiplicar por infinito pudiera tener los resultados opuestos como bucear por 0, entonces en lugar de un universo material, enteramente matemáticamente, atado a las leyes de la física, que parece impedir la conciencia y el propósito, tendríamos una existencia que es consciente, no física, limitada por lo opuesto a nuestras leyes de la física. La segunda ley de la termodinámica a la inversa parece definir el propósito, y con un cerebro físico que solo se preocupa por equilibrar las emociones, tener las leyes opuestas compitiendo contra eso sería como crear libre albedrío.

Sin embargo, tenemos que aceptar fluctuaciones infinitas * 0 = nada porque sería anticientífico considerar cualquier otra cosa. Eso haría que la conciencia y el propósito no sean más que una ecuación puramente matemática, considerando que lo único de lo que estamos seguros es completamente aleatorio, son las fluctuaciones cuánticas. Teniendo en cuenta que la energía total en el universo es precisamente 0, ¿no hace eso que nuestro universo físico sea solo una ecuación matemática? Parece que necesitamos algo más que no sea matemático para que las matemáticas existan como algo más que una teoría, pero solo las fluctuaciones de energía aleatorias pueden ser completamente aleatorias y no matemáticamente, sin que se violen nuestras leyes de la física. ¿Considerar que puede haber una pieza faltante en todo lo que hay es ser puramente matemático, realmente poco claro y poco científico?

Sin embargo, las fluctuaciones de energía aún podrían utilizarse para la inteligencia artificial, si no desea que se aplique el argumento de la habitación china, como siempre ocurre solo con el código. La red neuronal podría seguir produciéndose con código, pero en lugar de leer los valores de los nodos en el código y confiar en un algoritmo para mutar los valores para simular la evolución, o confiar en un algoritmo de propagación hacia atrás para reducir el margen de error, el los nodos se pueden leer desde un campo em. Siempre que la interferencia externa esté bloqueada por una jaula de Faraday, entonces la fuerza impulsora podría ser potencialmente fluctuaciones cuánticas, en lugar de valores de mutación de algoritmo. Los pensamientos que necesitan un mayor enfoque podrían estar contenidos en el campo, mientras que otros procesos simultáneos podrían simplemente usar redes neuronales simuladas regulares solo en código. Cuando los nodos están cerca de disparar pero no pueden t bastante fuego, las fluctuaciones de energía podrían desencadenarlos a veces. El código idéntico ya no produciría resultados idénticos. Usar una semilla aleatoria diferente para un algoritmo basado en el tiempo nunca es lo mismo que la verdadera aleatoriedad. Lo suficientemente bueno para los casinos en línea, pero demasiado falso para considerar que la evolución es genuina y no solo una simulación.