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 menor energía 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 cuantificado que es completamente individual. [ se necesita aclaración ]
Según la comprensión actual del llamado estado de vacío o vacío cuántico, "no se trata en modo alguno de un simple espacio vacío". [1] [2] Según la mecánica cuántica, el estado de vacío no está realmente 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 finales 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 en día, 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 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 QCD es el vacío de la cromodinámica cuántica. Es objeto de estudio en el Gran Colisionador de Hadrones y en el Colisionador Relativista de Iones Pesados , y está relacionado con la llamada estructura de vacío de interacciones fuertes . [7]
Si la teoría cuántica de campos puede describirse con precisión a través de la teoría de la perturbación , entonces las propiedades del vacío son análogas a las propiedades del estado fundamental de un oscilador armónico mecánico cuántico , o más exactamente, al estado fundamental de un problema de medición . En este caso, el valor esperado de vacío (VEV) de cualquier operador de campo desaparece. Para las teorías cuánticas de campos en las que la teoría de la perturbación se descompone a bajas energías (por ejemplo, la cromodinámica cuántica o la teoría de la superconductividad BCS ), los operadores de campo pueden tener valores esperados de vacío que no desaparecen 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.
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. En el laboratorio se puede detectar como efecto Casimir . En cosmología física , la energía del vacío cosmológico aparece como la constante cosmológica . De hecho, se ha calculado en sentido figurado que la energía de un centímetro cúbico de espacio vacío es una billonésima parte de un ergio (o 0,6 eV). [8] Un requisito destacado impuesto a una potencial Teoría del Todo es que la energía del estado de vacío cuántico debe explicar la constante cosmológica observada físicamente.
Para una teoría de campo relativista , el vacío es invariante de Poincaré , lo que se deriva de los axiomas de Wightman pero también puede demostrarse directamente sin estos axiomas. [9] La invariancia de Poincaré implica que sólo las combinaciones escalares de operadores de campo tienen VEV que no desaparecen . El VEV puede romper algunas de las simetrías internas de la teoría lagrangiana 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 . Ver mecanismo de Higgs , modelo estándar .
Se espera que las correcciones cuánticas a las ecuaciones de Maxwell den como resultado un pequeño término de polarización eléctrica no lineal en el vacío, lo que resultará 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 pequeña cantidad con respecto a ε 0 . Sujeta 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 presenta birrefringencia para una onda electromagnética que viaja en una dirección distinta a la del campo eléctrico. El efecto es similar al efecto Kerr pero sin que haya 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, aproximadamente V/m, conocida como límite de Schwinger ; Se ha estimado la constante de Kerr equivalente , que es aproximadamente 10 20 veces menor que la constante de Kerr del agua. También se han propuesto explicaciones del dicroísmo a partir de la física de partículas, fuera de la electrodinámica cuántica. [14] Medir experimentalmente tal efecto es muy difícil, [15] y aún no ha tenido éxito.
La presencia de partículas virtuales puede basarse rigurosamente en la no conmutación de los campos electromagnéticos cuantificados . La no conmutación significa que, aunque los valores medios de los campos desaparecen en un vacío cuántico, sus variaciones no. [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 partículas virtuales, o variaciones, basada en el principio de incertidumbre energía-tiempo de Heisenberg :
Según Astrid Lambrecht (2002): "Cuando se vacía un espacio de toda la 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 muy idealizado que sea, reducir cualquier conjunto al cero absoluto en un número finito de operaciones. [25] (Ver también. [26] [27] [28] )
La interacción fotón-fotón sólo puede ocurrir mediante la interacción con el estado de vacío de algún otro campo, por ejemplo a través del 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 componente del campo (considerado en ausencia conceptual de los otros campos), como el campo electromagnético, el campo de electrones y positrones de Dirac, etc. 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 descargadas se propone a menudo como ejemplo de efecto del campo electromagnético del vacío. Milonni (1994) cita a Schwinger, DeRaad y Milton (1978) como explicadores válidos, aunque poco convencionales, del efecto Casimir con un modelo en el que "el vacío se considera verdaderamente un estado con todas las propiedades físicas 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 únicamente de los campos fuente, 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. , pero requieren además una contribución de la autoenergía de los electrones o de 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 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 QED, desaparece cuando la constante de estructura fina, α , llega a cero". [34]
El estado de vacío se escribe como o . El valor esperado de vacío (consulte también Valor esperado ) de cualquier campo debe escribirse como .
Para todos los estados de campo que tienen analógico clásico, las variaciones de cuadratura de campo también son mayores o iguales a este conmutador.
La aparición espontánea y temporal de partículas del vacío se denomina "fluctuación del vacío".
La interacción tendrá una duración determinada Δt . Esto implica que la amplitud de la energía total involucrada en la interacción se distribuye en un rango de energías ΔE .