En física cuántica , una fluctuación cuántica (también conocida como fluctuación del estado de vacío o fluctuación del vacío ) es el cambio aleatorio temporal en la cantidad de energía en un punto en el espacio , [2] según lo prescrito por el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg . Son pequeñas fluctuaciones aleatorias en los valores de los campos que representan partículas elementales, como los campos eléctricos y magnéticos que representan la fuerza electromagnética transportada por los fotones , los campos W y Z que transportan la fuerza débil y los campos de gluones que transportan la fuerza fuerte . [3]
Las fluctuaciones del vacío aparecen como partículas virtuales , que siempre se crean en pares partícula-antipartícula. [4] Dado que se crean espontáneamente sin una fuente de energía, se dice que las fluctuaciones del vacío y las partículas virtuales violan la conservación de la energía . No se comprende bien la disposición de esta brecha energética; algunos físicos creen que la energía se transfiere hacia o desde el entorno macroscópico durante el proceso de medición, mientras que otros creen que la energía observable sólo se conserva "en promedio". [5] [6] Ningún experimento ha sido confirmado como evidencia definitiva de violaciones del principio de conservación de la energía en la mecánica cuántica, pero eso no descarta que algunos experimentos más nuevos, como los propuestos, puedan encontrar evidencia de violaciones de la conservación de la energía. Principio de la energía en la mecánica cuántica. [6]
El principio de incertidumbre establece que la incertidumbre en energía y tiempo puede relacionarse mediante [7] , donde1/2ħ ≈5,27286×10 −35 Js. Esto significa[ cita necesaria ]que pares de partículas virtuales con energíay vida útil más cortase crean y aniquilan continuamente en el espacio vacío. Aunque las partículas no son detectables directamente, los efectos acumulativos de estas partículas son mensurables. Por ejemplo, sin fluctuaciones cuánticas, lamasay la carga "desnudas" de las partículas elementales serían infinitas; Segúnde la renormalización,el efecto protector de la nube de partículas virtuales es responsable de la masa finita y la carga de las partículas elementales.
Otra consecuencia es el efecto Casimir . Una de las primeras observaciones que demostró las fluctuaciones del vacío fue el desplazamiento de Lamb en el hidrógeno. En julio de 2020, los científicos informaron que las fluctuaciones del vacío cuántico pueden influir en el movimiento de objetos macroscópicos a escala humana midiendo correlaciones por debajo del límite cuántico estándar entre la incertidumbre de posición/momento de los espejos de LIGO y la incertidumbre del número de fotones/fase de la luz que Reflejan. [8] [9] [10]
En la teoría cuántica de campos , los campos sufren fluctuaciones cuánticas. Se puede hacer una distinción razonablemente clara entre fluctuaciones cuánticas y fluctuaciones térmicas de un campo cuántico (al menos para un campo libre; para campos que interactúan, la renormalización complica sustancialmente las cosas). Se puede ver una ilustración de esta distinción al considerar los campos de Klein-Gordon cuánticos y clásicos: [11] Para el campo de Klein-Gordon cuantificado en el estado de vacío , podemos calcular la densidad de probabilidad de que observemos una configuración en un tiempo t en términos de su transformada de Fourier para ser
Por el contrario, para el campo clásico de Klein-Gordon a temperatura distinta de cero, la densidad de probabilidad de Gibbs de que observemos una configuración a la vez es
Estas distribuciones de probabilidad ilustran que todas las configuraciones posibles del campo son posibles, con la amplitud de las fluctuaciones cuánticas controladas por la constante de Planck , al igual que la amplitud de las fluctuaciones térmicas está controlada por , donde k B es la constante de Boltzmann . Tenga en cuenta que los siguientes tres puntos están estrechamente relacionados:
Se puede construir un campo aleatorio continuo clásico que tenga la misma densidad de probabilidad que el estado de vacío cuántico, de modo que la principal diferencia con la teoría cuántica de campos es la teoría de la medición ( la medición en la teoría cuántica es diferente de la medición de un campo aleatorio continuo clásico, en que las mediciones clásicas son siempre mutuamente compatibles (en términos de mecánica cuántica, siempre conmutan).
![{\displaystyle \rho _{0}[\varphi _{t}]=\exp {\left[-{\frac {1}{\hbar }}\int {\frac {d^{3}k}{ (2\pi )^{3}}}{\tilde {\varphi }}_{t}^{*}(k){\sqrt {|k|^{2}+m^{2}}}\ ,{\tilde {\varphi }}_{t}(k)\right]}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8eec5e6030ccfbc09a341cc1a56fe7c20e4da72b)
![{\displaystyle \rho _{E}[\varphi _{t}]=\exp {\big [}-H[\varphi _{t}]/k_{\text{B}}T{\big ]} =\exp {\left[-{\frac {1}{k_{\text{B}}T}}\int {\frac {d^{3}k}{(2\pi )^{3}} }{\tilde {\varphi }}_{t}^{*}(k){\frac {1}{2}}\left(|k|^{2}+m^{2}\right)\ ,{\tilde {\varphi }}_{t}(k)\right]}.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/89de95168dd2a2566e5c1333608b2c5370c340db)
