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Estado de vacío cuántico

Niveles de energía de un electrón en un átomo : estado fundamental y estados excitados . En la teoría cuántica de campos , el estado fundamental suele denominarse estado de vacío o vacío.

En la teoría cuántica de campos , el estado de vacío cuántico (también llamado vacío cuántico o estado de vacío ) es el estado cuántico con la energía más baja posible . Generalmente, no contiene partículas físicas. El término campo de punto cero se utiliza a veces como sinónimo del estado de vacío de un campo cuantizado que es completamente individual. [ aclaración necesaria ]

Según la comprensión actual [¿ cuándo? ] de lo que se denomina estado de vacío o vacío cuántico, "no es en absoluto un simple espacio vacío". [1] [2] Según la mecánica cuántica, el estado de vacío no está verdaderamente vacío, sino que contiene ondas electromagnéticas fugaces y partículas que entran y salen del campo cuántico. [3] [4] [5]

El vacío QED de la electrodinámica cuántica (o QED) fue el primer vacío de la teoría cuántica de campos que se desarrolló. La QED se originó en la década de 1930 y, a fines de la década de 1940 y principios de la de 1950, fue reformulada por Feynman , Tomonaga y Schwinger , quienes recibieron conjuntamente el premio Nobel por este trabajo en 1965. [6] Hoy, las interacciones electromagnéticas y las interacciones débiles están unificadas (solo a energías muy altas) en la teoría de la interacción electrodébil .

El Modelo Estándar es una generalización del trabajo de QED para incluir todas las partículas elementales conocidas y sus interacciones (excepto la gravedad). La cromodinámica cuántica (o QCD) es la parte del Modelo Estándar que se ocupa de las interacciones fuertes , y el vacío de QCD es el vacío de la cromodinámica cuántica. Es el objeto de estudio en el Gran Colisionador de Hadrones y el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas , y está relacionado con la llamada estructura de vacío de las interacciones fuertes . [7]

Valor de expectativa distinto de cero

El vídeo de un experimento que muestra fluctuaciones de vacío (en el anillo rojo) amplificadas por conversión descendente paramétrica espontánea .

Si la teoría cuántica de campos puede describirse con precisión a través de la teoría de perturbaciones , entonces las propiedades del vacío son análogas a las propiedades del estado fundamental de un oscilador armónico mecánico cuántico , o más exactamente, el estado fundamental de un problema de medición . En este caso, el valor esperado de vacío (VEV) de cualquier operador de campo se desvanece. Para las teorías cuánticas de campos en las que la teoría de perturbaciones se desmorona a bajas energías (por ejemplo, la cromodinámica cuántica o la teoría BCS de la superconductividad ), los operadores de campo pueden tener valores esperados de vacío que no se desvanecen llamados condensados . En el Modelo Estándar , el valor esperado de vacío distinto de cero del campo de Higgs , que surge de la ruptura espontánea de la simetría , es el mecanismo por el cual los otros campos de la teoría adquieren masa.

Energía

El estado de vacío está asociado con una energía de punto cero , y esta energía de punto cero (equivalente al estado de energía más bajo posible) tiene efectos mensurables. Puede detectarse como el efecto Casimir en el laboratorio. En cosmología física , la energía del vacío cosmológico aparece como la constante cosmológica . La energía de un centímetro cúbico de espacio vacío se ha calculado figurativamente como una billonésima parte de un erg (o 0,6 eV). [8] Un requisito pendiente impuesto a una teoría potencial del todo es que la energía del estado de vacío cuántico debe explicar la constante cosmológica observada físicamente.

Simetría

Para una teoría de campos relativista , el vacío es invariante de Poincaré , lo que se deduce de los axiomas de Wightman pero también se puede demostrar directamente sin estos axiomas. [9] La invariancia de Poincaré implica que solo las combinaciones escalares de operadores de campo tienen VEV no nulos . El VEV puede romper algunas de las simetrías internas del lagrangiano de la teoría de campos. En este caso, el vacío tiene menos simetría de la que permite la teoría, y se dice que se ha producido una ruptura espontánea de la simetría . Véase mecanismo de Higgs , modelo estándar .

Permitividad no lineal

Se espera que las correcciones cuánticas a las ecuaciones de Maxwell resulten en un pequeño término de polarización eléctrica no lineal en el vacío, lo que resulta en una permitividad eléctrica dependiente del campo ε que se desvía del valor nominal ε 0 de la permitividad del vacío . [10] Estos desarrollos teóricos se describen, por ejemplo, en Dittrich y Gies. [5] La teoría de la electrodinámica cuántica predice que el vacío QED debería exhibir una ligera no linealidad de modo que en presencia de un campo eléctrico muy fuerte, la permitividad aumenta en una cantidad minúscula con respecto a ε 0 . Sujeto a esfuerzos experimentales en curso [11] está la posibilidad de que un campo eléctrico fuerte modifique la permeabilidad efectiva del espacio libre , volviéndose anisotrópico con un valor ligeramente inferior a μ 0 en la dirección del campo eléctrico y ligeramente superior a μ 0 en la dirección perpendicular. El vacío cuántico expuesto a un campo eléctrico exhibe birrefringencia para una onda electromagnética que viaja en una dirección distinta al campo eléctrico. El efecto es similar al efecto Kerr pero sin materia presente. [12] Esta pequeña no linealidad puede interpretarse en términos de producción de pares virtuales [13] Se predice que una intensidad de campo eléctrico característica para la cual las no linealidades se vuelven considerables será enorme, alrededor de V/m, conocida como el límite de Schwinger ; se ha estimado que la constante de Kerr equivalente es aproximadamente 10 20 veces menor que la constante de Kerr del agua. También se han propuesto explicaciones para el dicroísmo a partir de la física de partículas, fuera de la electrodinámica cuántica. [14] Medir experimentalmente tal efecto es un desafío, [15] y aún no ha sido exitoso.

Partículas virtuales

La presencia de partículas virtuales puede basarse rigurosamente en la no conmutación de los campos electromagnéticos cuantizados . La no conmutación significa que, aunque los valores promedio de los campos se desvanecen en un vacío cuántico, sus variaciones no lo hacen. [16] El término " fluctuaciones del vacío " se refiere a la variación de la intensidad del campo en el estado de energía mínima, [17] y se describe pintorescamente como evidencia de "partículas virtuales". [18] A veces se intenta proporcionar una imagen intuitiva de las partículas virtuales, o variaciones, basándose en el principio de incertidumbre de energía-tiempo de Heisenberg : (siendo Δ E y Δ t las variaciones de energía y tiempo respectivamente; Δ E es la precisión en la medición de energía y Δ t es el tiempo empleado en la medición, y ħ es la constante de Planck reducida ) argumentando en la línea de que la corta vida útil de las partículas virtuales permite el "préstamo" de grandes energías del vacío y, por lo tanto, permite la generación de partículas durante tiempos cortos. [19] Aunque se acepta el fenómeno de las partículas virtuales, esta interpretación de la relación de incertidumbre energía-tiempo no es universal. [20] [21] Un problema es el uso de una relación de incertidumbre que limita la precisión de la medición como si una incertidumbre de tiempo Δ t determinara un "presupuesto" para tomar prestada energía Δ E . Otro problema es el significado de "tiempo" en esta relación porque la energía y el tiempo (a diferencia de la posición q y el momento p , por ejemplo) no satisfacen una relación de conmutación canónica (como [ q , p ] = i  ħ ). [22] Se han propuesto varios esquemas para construir un observable que tenga algún tipo de interpretación del tiempo y, sin embargo, satisfaga una relación de conmutación canónica con la energía. [23] [24] Muchos enfoques del principio de incertidumbre energía-tiempo son un tema largo y continuo. [24]

Naturaleza física del vacío cuántico

Según Astrid Lambrecht (2002): “Cuando se vacía un espacio de toda materia y se baja la temperatura al cero absoluto, se produce en un Gedankenexperiment [experimento mental] el estado de vacío cuántico”. [1] Según Fowler y Guggenheim (1939/1965), la tercera ley de la termodinámica puede enunciarse con precisión de la siguiente manera:

Es imposible mediante cualquier procedimiento, por idealizado que sea, reducir cualquier conjunto al cero absoluto en un número finito de operaciones. [25] (Véase también. [26] [27] [28] )

La interacción fotón-fotón puede ocurrir sólo a través de la interacción con el estado de vacío de algún otro campo, como el campo de vacío electrón-positrón de Dirac; esto está asociado con el concepto de polarización del vacío . [29] Según Milonni (1994): "... todos los campos cuánticos tienen energías de punto cero y fluctuaciones de vacío". [30] Esto significa que hay un componente del vacío cuántico respectivamente para cada campo componente (considerado en ausencia conceptual de los otros campos), como el campo electromagnético, el campo electrón-positrón de Dirac, etcétera. Según Milonni (1994), algunos de los efectos atribuidos al campo electromagnético del vacío pueden tener varias interpretaciones físicas, algunas más convencionales que otras. La atracción de Casimir entre placas conductoras no cargadas se propone a menudo como un ejemplo de un efecto del campo electromagnético del vacío. Milonni (1994) cita a Schwinger, DeRaad y Milton (1978) como una explicación válida, aunque poco convencional, del efecto Casimir con un modelo en el que "el vacío se considera como un estado en el que todas las propiedades físicas son iguales a cero". [31] [32] En este modelo, los fenómenos observados se explican como los efectos de los movimientos de los electrones en el campo electromagnético, llamado efecto de campo fuente. Milonni escribe:

La idea básica aquí será que la fuerza de Casimir puede derivarse de los campos fuente solo incluso en QED completamente convencional... Milonni proporciona un argumento detallado de que los efectos físicos mensurables generalmente atribuidos al campo electromagnético del vacío no pueden explicarse solo por ese campo, sino que requieren además una contribución de la autoenergía de los electrones, o su reacción de radiación. Escribe: "La reacción de radiación y los campos de vacío son dos aspectos de la misma cosa cuando se trata de interpretaciones físicas de varios procesos de QED, incluido el desplazamiento de Lamb , las fuerzas de van der Waals y los efectos de Casimir". [33]

Jaffe (2005) también afirma este punto de vista: "La fuerza de Casimir se puede calcular sin referencia a las fluctuaciones del vacío y, como todos los demás efectos observables en la QED, desaparece cuando la constante de estructura fina, α , tiende a cero". [34]

Notaciones

El estado de vacío se escribe como o . El valor esperado de vacío (ver también Valor esperado ) de cualquier campo debe escribirse como .

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Astrid Lambrecht (2002). Hartmut Figger; Dieter Meschede; Claus Zimmermann (eds.). Observación de la disipación mecánica en el vacío cuántico: un desafío experimental; en Física láser al límite. Berlín/Nueva York: Springer. pag. 197.ISBN​ 978-3-540-42418-5.
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  21. ^ Esta idea de "préstamo" ha dado lugar a propuestas para utilizar la energía del punto cero del vacío como un depósito infinito y a diversos "campos" en torno a esta interpretación. Véase, por ejemplo, Moray B. King (2001). Quest for zero point energy: engineering principles for 'free energy' inventions. Adventures Unlimited Press. pp. 124 y siguientes . ISBN 978-0-932813-94-7.
  22. ^ Las cantidades que satisfacen una regla de conmutación canónica son observables no compatibles, lo que significa que ambas pueden medirse simultáneamente, pero con precisión limitada. Véase Kiyosi Itô (1993). "§ 351 (XX.23) C: Relaciones de conmutación canónica". Diccionario enciclopédico de matemáticas (2.ª ed.). MIT Press. p. 1303. ISBN 978-0-262-59020-4.
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Lectura adicional

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