Una partícula virtual es una partícula teórica transitoria que exhibe algunas de las características de una partícula ordinaria, mientras que su existencia está limitada por el principio de incertidumbre , que permite que las partículas virtuales emerjan espontáneamente del vacío en rangos cortos de tiempo y espacio. [1] El concepto de partículas virtuales surge en la teoría de perturbaciones de la teoría cuántica de campos (QFT), donde las interacciones entre partículas ordinarias se describen en términos de intercambios de partículas virtuales. Un proceso que involucra partículas virtuales se puede describir mediante una representación esquemática conocida como diagrama de Feynman , en el que las partículas virtuales están representadas por líneas internas. [2] [3]
Las partículas virtuales no necesariamente llevan la misma masa que la partícula ordinaria correspondiente, aunque siempre conservan energía y momento . Cuanto más se acercan sus características a las de las partículas ordinarias, más tiempo existe la partícula virtual. Son importantes en la física de muchos procesos, incluida la dispersión de partículas y las fuerzas de Casimir . En la teoría cuántica de campos, se puede considerar que las fuerzas (como la repulsión o atracción electromagnética entre dos cargas) resultan del intercambio de fotones virtuales entre las cargas. Los fotones virtuales son las partículas de intercambio para la interacción electromagnética .
El término es algo vago y vagamente definido, ya que se refiere a la visión de que el mundo está formado por "partículas reales". Se entiende mejor que las "partículas reales" son excitaciones de los campos cuánticos subyacentes. Las partículas virtuales también son excitaciones de los campos subyacentes, pero son "temporales" en el sentido de que aparecen en los cálculos de interacciones, pero nunca como estados asintóticos o índices de la matriz de dispersión . La precisión y el uso de partículas virtuales en los cálculos están firmemente establecidos, pero como no pueden detectarse en experimentos, decidir cómo describirlas con precisión es un tema de debate. [4] Aunque se utilizan ampliamente, de ninguna manera son una característica necesaria de QFT, sino más bien son conveniencias matemáticas, como lo demuestra la teoría de campos reticulares , que evita el uso del concepto por completo.
El concepto de partículas virtuales surge en la teoría de perturbaciones de la teoría cuántica de campos , un esquema de aproximación en el que las interacciones (en esencia, fuerzas) entre partículas reales se calculan en términos de intercambios de partículas virtuales. Estos cálculos suelen realizarse utilizando representaciones esquemáticas conocidas como diagramas de Feynman , en las que las partículas virtuales aparecen como líneas internas. Al expresar la interacción en términos del intercambio de una partícula virtual con cuatro momentos q , donde q está dado por la diferencia entre los cuatro momentos de las partículas que entran y salen del vértice de interacción, tanto el momento como la energía se conservan en la interacción. vértices del diagrama de Feynman. [5] : 119
Una partícula virtual no obedece precisamente a la relación energía-momento m 2 c 4 = E 2 − p 2 c 2 . Su energía cinética puede no tener la relación habitual con la velocidad . Puede ser negativo. [6] : 110 Esto se expresa mediante la frase fuera de masa . [5] : 119 La amplitud de probabilidad de que exista una partícula virtual tiende a anularse por interferencias destructivas en distancias y tiempos más largos. Como consecuencia, un fotón real no tiene masa y, por tanto, sólo tiene dos estados de polarización, mientras que uno virtual, al ser efectivamente masivo, tiene tres estados de polarización.
Los túneles cuánticos pueden considerarse una manifestación de intercambios virtuales de partículas. [7] : 235 El rango de fuerzas transportadas por partículas virtuales está limitado por el principio de incertidumbre, que considera la energía y el tiempo como variables conjugadas; por tanto, las partículas virtuales de mayor masa tienen un alcance más limitado. [8]
Escrito en las notaciones matemáticas habituales, en las ecuaciones de la física, no hay ninguna marca de distinción entre partículas virtuales y reales. Las amplitudes de los procesos con una partícula virtual interfieren con las amplitudes de los procesos sin ella, mientras que para una partícula real los casos de existencia y no existencia dejan de ser coherentes entre sí y ya no interfieren. Desde el punto de vista de la teoría cuántica de campos, las partículas reales se consideran excitaciones detectables de campos cuánticos subyacentes. Las partículas virtuales también se consideran excitaciones de los campos subyacentes, pero aparecen sólo como fuerzas, no como partículas detectables. Son "temporales" en el sentido de que aparecen en algunos cálculos, pero no se detectan como partículas individuales. Por lo tanto, en términos matemáticos, nunca aparecen como índices de la matriz de dispersión , es decir, nunca aparecen como entradas y salidas observables del proceso físico que se modela.
Hay dos formas principales en que aparece la noción de partículas virtuales en la física moderna. Aparecen como términos intermedios en los diagramas de Feynman ; es decir, como términos en un cálculo perturbativo. También aparecen como un conjunto infinito de estados que deben sumarse o integrarse en el cálculo de un efecto semi-no perturbativo. En el último caso, a veces se dice que las partículas virtuales contribuyen a un mecanismo que media el efecto, o que el efecto se produce a través de las partículas virtuales. [5] : 118
Hay muchos fenómenos físicos observables que surgen en interacciones que involucran partículas virtuales. Para las partículas bosónicas que exhiben masa en reposo cuando están libres y reales, las interacciones virtuales se caracterizan por el rango relativamente corto de interacción de fuerza producida por el intercambio de partículas. El confinamiento también puede llevar a un corto alcance. Ejemplos de tales interacciones de corto alcance son las fuerzas fuertes y débiles, y sus bosones de campo asociados.
Para las fuerzas gravitacionales y electromagnéticas, la masa en reposo cero de la partícula bosónica asociada permite que las fuerzas de largo alcance estén mediadas por partículas virtuales. Sin embargo, en el caso de los fotones, la transferencia de energía e información mediante partículas virtuales es un fenómeno de alcance relativamente corto (que existe sólo dentro de unas pocas longitudes de onda de la perturbación del campo, que transporta información o energía transferida), como se ve, por ejemplo, en el caso de los fotones, característicamente rango corto de efectos inductivos y capacitativos en la zona de campo cercano de bobinas y antenas.
Algunas interacciones de campo que pueden verse en términos de partículas virtuales son:
La mayoría de ellos tienen efectos análogos en la física del estado sólido ; de hecho, a menudo uno puede obtener una mejor comprensión intuitiva examinando estos casos. En los semiconductores , las funciones de los electrones, positrones y fotones en la teoría de campos son reemplazadas por electrones en la banda de conducción , huecos en la banda de valencia y fonones o vibraciones de la red cristalina. Una partícula virtual se encuentra en un estado virtual donde la amplitud de probabilidad no se conserva. Günter Nimtz [10] y Alfons A. Stahlhofen presentaron ejemplos de fonones, fotones y electrones virtuales macroscópicos en el caso del proceso de tunelización. [11]
El cálculo de amplitudes de dispersión en la física teórica de partículas requiere el uso de algunas integrales bastante grandes y complicadas sobre un gran número de variables. Estas integrales, sin embargo, tienen una estructura regular y pueden representarse como diagramas de Feynman . El atractivo de los diagramas de Feynman es fuerte, ya que permiten una presentación visual sencilla de lo que de otro modo sería una fórmula bastante arcana y abstracta. En particular, parte del atractivo es que los tramos salientes de un diagrama de Feynman pueden asociarse con partículas reales en la capa . Por lo tanto, es natural asociar también las otras líneas del diagrama con partículas, llamadas "partículas virtuales". En términos matemáticos corresponden a los propagadores que aparecen en el diagrama.
En la imagen adyacente, las líneas continuas corresponden a partículas reales (de momento p 1 , etc.), mientras que la línea de puntos corresponde a una partícula virtual que lleva un momento k . Por ejemplo, si las líneas continuas correspondieran a electrones interactuando mediante la interacción electromagnética , la línea de puntos correspondería al intercambio de un fotón virtual . En el caso de nucleones que interactúan , la línea de puntos sería un pión virtual . En el caso de quarks interactuando mediante la fuerza fuerte , la línea de puntos sería un gluón virtual , y así sucesivamente.
Las partículas virtuales pueden ser mesones o bosones vectoriales , como en el ejemplo anterior; también pueden ser fermiones . Sin embargo, para preservar los números cuánticos, la mayoría de los diagramas simples que involucran intercambio de fermiones están prohibidos. La imagen de la derecha muestra un diagrama permitido, un diagrama de un bucle . Las líneas continuas corresponden a un propagador de fermiones, las líneas onduladas a bosones.
En términos formales, una partícula se considera un estado propio del operador de número de partículas a † a , donde a es el operador de aniquilación de partículas y a † el operador de creación de partículas (a veces llamados colectivamente operadores de escalera ). En muchos casos, el operador del número de partículas no conmuta con el hamiltoniano del sistema. Esto implica que el número de partículas en un área del espacio no es una cantidad bien definida sino que, como otros observables cuánticos , está representada por una distribución de probabilidad . Dado que no es seguro que estas partículas existan, se denominan partículas virtuales o fluctuaciones de energía del vacío . En cierto sentido, pueden entenderse como una manifestación del principio de incertidumbre tiempo-energía en el vacío. [12]
Un ejemplo importante de la "presencia" de partículas virtuales en el vacío es el efecto Casimir . [13] Aquí, la explicación del efecto requiere que la energía total de todas las partículas virtuales en el vacío se pueda sumar. Así, aunque las partículas virtuales en sí no son directamente observables en el laboratorio, sí dejan un efecto observable: su energía de punto cero da como resultado fuerzas que actúan sobre placas metálicas o dieléctricos adecuadamente dispuestos . [14] Por otro lado, el efecto Casimir puede interpretarse como la fuerza relativista de van der Waals . [15]
A menudo se describe popularmente que las partículas virtuales vienen en pares: una partícula y una antipartícula pueden ser de cualquier tipo. Estos pares existen durante un tiempo extremadamente corto y luego se aniquilan mutuamente o, en algunos casos, el par puede separarse utilizando energía externa para evitar la aniquilación y convertirse en partículas reales, como se describe a continuación.
Esto puede ocurrir de dos maneras. En un marco de referencia en aceleración , las partículas virtuales pueden parecer reales para el observador que acelera; esto se conoce como efecto Unruh . En resumen, el vacío de un sistema estacionario parece, para el observador acelerado, ser un gas caliente de partículas reales en equilibrio termodinámico .
Otro ejemplo es la producción de pares en campos eléctricos muy fuertes, a veces llamada decadencia del vacío . Si, por ejemplo, un par de núcleos atómicos se fusionan para formar muy brevemente un núcleo con una carga mayor que aproximadamente 140 (es decir, mayor que aproximadamente la inversa de la constante de estructura fina , que es una cantidad adimensional ), la La fuerza del campo eléctrico será tal que será energéticamente favorable [ se necesita más explicación ] para crear pares positrón-electrón a partir del vacío o mar de Dirac , con el electrón atraído hacia el núcleo para aniquilar la carga positiva. Esta amplitud de creación de pares fue calculada por primera vez por Julian Schwinger en 1951.
Como consecuencia de la incertidumbre de la mecánica cuántica , cualquier objeto o proceso que exista durante un tiempo limitado o en un volumen limitado no puede tener una energía o un impulso definidos con precisión. Por esta razón, las partículas virtuales –que existen sólo temporalmente cuando se intercambian entre partículas ordinarias– no suelen obedecer a la relación masa-capa ; cuanto más tiempo existe una partícula virtual, más se acercan la energía y el momento a la relación masa-capa.
La vida útil de las partículas reales suele ser mucho más larga que la de las partículas virtuales. La radiación electromagnética consiste en fotones reales que pueden viajar años luz entre el emisor y el absorbente, pero la atracción y repulsión electrostática (coulombiana) es una fuerza [ dudosa ] de alcance relativamente corto que es consecuencia del intercambio de fotones virtuales [ cita necesaria ] .
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