partícula virtual

Una partícula virtual es una partícula transitoria teórica que exhibe algunas de las características de una partícula ordinaria, aunque su existencia está limitada por el principio de incertidumbre , que permite que las partículas virtuales surjan 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 (TCC), donde las interacciones entre partículas ordinarias se describen en términos de intercambios de partículas virtuales. Un proceso que involucra partículas virtuales puede describirse mediante una representación esquemática conocida como diagrama de Feynman , en el que las partículas virtuales se representan mediante líneas internas. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Las partículas virtuales no necesariamente poseen la misma masa que la partícula ordinaria correspondiente, aunque siempre conservan la energía y el momento . Cuanto más se asemejan sus características a las de las partículas ordinarias, mayor es la vida útil de la partícula virtual. Son importantes en la física de muchos procesos, incluyendo la dispersión de partículas y las fuerzas de Casimir . En la teoría cuántica de campos, las fuerzas —como la repulsión o atracción electromagnética entre dos cargas— pueden considerarse como resultado del intercambio de fotones virtuales entre dichas cargas. Los fotones virtuales son las partículas de intercambio para la interacción electromagnética .

El término es algo impreciso y vagamente definido, ^{[ 4 ]} ya que se refiere a la visión de que el mundo está compuesto de "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 se pueden detectar en experimentos, decidir cómo describirlas con precisión es un tema de debate. ^{[ 5 ]} Aunque se usan ampliamente, no son en absoluto una característica necesaria de la QFT, sino más bien conveniencias matemáticas, como lo demuestra la teoría de campos reticulares , que evita por completo el uso del concepto.

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. Dichos cálculos se realizan a menudo utilizando representaciones esquemáticas conocidas como diagramas de Feynman , en los que las partículas virtuales aparecen como líneas internas. Al expresar la interacción en términos del intercambio de una partícula virtual con cuadrimomento q , donde q viene dado por la diferencia entre los cuadrimomentos de las partículas que entran y salen del vértice de interacción, tanto el momento como la energía se conservan en los vértices de interacción del diagrama de Feynman. ^{[ 6 ] : 119}

Una partícula virtual no obedece con precisión 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 negativa. ^{[ 7 ] : 110} Esto se expresa mediante la frase fuera de la capa de masa . ^{[ 6 ] : 119} La amplitud de probabilidad de que exista una partícula virtual tiende a cancelarse por interferencia destructiva a distancias y tiempos mayores. Como consecuencia, un fotón real no tiene masa y, por lo tanto, solo tiene dos estados de polarización, mientras que uno virtual, al ser efectivamente masivo, tiene tres estados de polarización.

El efecto túnel cuántico puede considerarse una manifestación de intercambios de partículas virtuales. ^{[ 8 ] : 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 lo tanto, las partículas virtuales de mayor masa tienen un rango más limitado. ^{[ 9 ]}

Escritas con la notación matemática habitual, en las ecuaciones de la física no existe ninguna 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 la perspectiva de la teoría cuántica de campos, las partículas reales se consideran excitaciones detectables de los campos cuánticos subyacentes. Las partículas virtuales también se consideran excitaciones de los campos subyacentes, pero aparecen solo 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 está modelando.

Existen dos formas principales en que aparece la noción de partículas virtuales en la física moderna. Aparecen como términos intermedios en diagramas de Feynman ; es decir, como términos en un cálculo perturbativo. También aparecen como un conjunto infinito de estados que se suman o integran en el cálculo de un efecto semiperturbativo. En este 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. ^{[ 6 ] : 118}

Existen numerosos fenómenos físicos observables que surgen de las interacciones entre partículas virtuales. Para las partículas bosónicas que presentan masa en reposo cuando son libres y reales, las interacciones virtuales se caracterizan por el alcance relativamente corto de la interacción de fuerza producida por el intercambio de partículas. El confinamiento también puede dar lugar a un alcance corto. Ejemplos de estas interacciones de corto alcance son las fuerzas fuerte y débil, y sus bosones de campo asociados.

En el caso de las fuerzas gravitatorias y electromagnéticas, la masa en reposo nula de la partícula bosónica asociada permite que las fuerzas de largo alcance sean mediadas por partículas virtuales. Sin embargo, en el caso de los fotones, la transferencia de potencia e información mediante partículas virtuales es un fenómeno de alcance relativamente corto (que existe solo dentro de unas pocas longitudes de onda de la perturbación del campo, que transporta la información o la potencia transferida), como se observa, por ejemplo, en el alcance característicamente corto de los efectos inductivos y capacitivos en la zona de campo cercano de bobinas y antenas.

Algunas interacciones de campo que pueden verse en términos de partículas virtuales son:

• La fuerza de Coulomb (fuerza electrostática) entre cargas eléctricas se produce por el intercambio de fotones virtuales . En un espacio tridimensional simétrico, este intercambio da lugar a la ley del inverso del cuadrado para la fuerza eléctrica. Dado que el fotón no tiene masa, el potencial de Coulomb tiene un alcance infinito.
• El campo magnético entre dipolos magnéticos se origina por el intercambio de fotones virtuales . En un espacio tridimensional simétrico, este intercambio da lugar a la ley del cubo inverso para la fuerza magnética. Dado que el fotón no tiene masa, el potencial magnético tiene un alcance infinito. Sin embargo, aunque el alcance sea infinito, el tiempo de existencia de un fotón virtual no lo es.
• Inducción electromagnética . Este fenómeno transfiere energía hacia y desde una bobina magnética a través de un campo (electro)magnético variable.
• La fuerza nuclear fuerte entre quarks es el resultado de la interacción de gluones virtuales . El remanente de esta fuerza fuera de los tripletes de quarks (neutrón y protón) mantiene unidos a neutrones y protones en los núcleos, y se debe a mesones virtuales como el mesón pi y el mesón rho .
• La fuerza nuclear débil es el resultado del intercambio entre bosones virtuales W y Z.
• La emisión espontánea de un fotón durante la desintegración de un átomo excitado o un núcleo excitado; dicha desintegración está prohibida por la mecánica cuántica ordinaria y requiere la cuantización del campo electromagnético para su explicación.
• El efecto Casimir , en el que el estado fundamental del campo electromagnético cuantizado provoca una atracción entre un par de placas metálicas eléctricamente neutras.
• La fuerza de van der Waals , que se debe en parte al efecto Casimir entre dos átomos.
• La polarización del vacío , que implica la producción de pares o la desintegración del vacío , es decir, la producción espontánea de pares partícula-antipartícula (como electrón-positrón).
• Desplazamiento de Lamb de las posiciones de los niveles atómicos.
• La impedancia del espacio libre , que define la relación entre la intensidad del campo eléctrico | E | y la intensidad del campo magnético | H | : Z ₀ = | E | / | H | . ^{[ 10 ]}
• Gran parte del llamado campo cercano de las antenas de radio, donde los efectos magnéticos y eléctricos de la corriente variable en el cable de la antena y los efectos de carga de la carga capacitiva del cable pueden ser (y generalmente son) contribuyentes importantes al campo EM total cerca de la fuente, pero ambos efectos son efectos dipolares que decaen con el aumento de la distancia a la antena mucho más rápidamente que la influencia de las ondas electromagnéticas "convencionales" que están "lejos" de la fuente. ^{[ a ]} ​​Estas ondas de campo lejano, para las cuales E es (en el límite de larga distancia) igual a cB , están compuestas de fotones reales. Los fotones reales y virtuales se mezclan cerca de una antena, siendo los fotones virtuales responsables solo de los efectos "extra" magnético-inductivos y dipolares eléctricos transitorios, que causan cualquier desequilibrio entre E y cB . A medida que aumenta la distancia a la antena, los efectos de campo cercano (como campos dipolares) se extinguen más rápidamente, y solo los efectos "radiativos" que se deben a los fotones reales permanecen como efectos importantes. Aunque los efectos virtuales se extienden hasta el infinito, su intensidad de campo disminuye como 1/ r² en lugar del campo de las ondas electromagnéticas compuestas por fotones reales, que disminuye como ¹ / r . ^{[ b ] [ c ]}

La mayoría de estos fenómenos tienen efectos análogos en la física del estado sólido ; de hecho, a menudo se puede obtener una mejor comprensión intuitiva al examinar estos casos. En los semiconductores , los roles de los electrones, positrones y fotones en la teoría de campos se reemplazan 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. Ejemplos de fonones, fotones y electrones virtuales macroscópicos en el caso del proceso de tunelización fueron presentados por Günter Nimtz ^{[ 11 ]} y Alfons A. Stahlhofen ^{[ 12 ] .}

El cálculo de las amplitudes de dispersión en la física teórica de partículas requiere el uso de integrales bastante grandes y complejas sobre un gran número de variables. Sin embargo, estas integrales tienen una estructura regular y pueden representarse mediante diagramas de Feynman . El atractivo de los diagramas de Feynman es innegable, ya que permiten una presentación visual sencilla de lo que, de otro modo, sería una fórmula bastante compleja y abstracta. En particular, parte de su atractivo reside en que las ramas salientes de un diagrama de Feynman pueden asociarse con partículas reales en la capa de masas . Por lo tanto, es natural asociar también las demás líneas del diagrama con partículas, denominadas "partículas virtuales". En términos matemáticos, corresponden a los propagadores que aparecen en el diagrama.

En la imagen adjunta, las líneas continuas corresponden a partículas reales (con momento p₁, _etc. ), mientras que la línea punteada corresponde a una partícula virtual con momento k . Por ejemplo, si las líneas continuas correspondieran a electrones que interactúan mediante la interacción electromagnética , la línea punteada correspondería al intercambio de un fotón virtual . En el caso de nucleones que interactúan , la línea punteada sería un pión virtual . En el caso de quarks que interactúan mediante la fuerza fuerte , la línea punteada 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, y las líneas onduladas a bosones.

En términos formales, una partícula se considera un autoestado 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 denominados colectivamente operadores de escalera ). En muchos casos, el operador de 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, al igual que otras observables cuánticas , se representa mediante una distribución de probabilidad . Dado que la existencia de estas partículas no es segura, se las denomina partículas virtuales o fluctuaciones de la energía del vacío . En cierto sentido, pueden entenderse como una manifestación del principio de incertidumbre tiempo-energía en el vacío. ^{[ 13 ]}

Un ejemplo importante de la "presencia" de partículas virtuales en el vacío es el efecto Casimir . ^{[ 14 ]} En este caso, 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 mismas no son directamente observables en el laboratorio, sí dejan un efecto observable: su energía de punto cero produce fuerzas que actúan sobre placas metálicas o dieléctricos dispuestos adecuadamente . ^{[ 15 ]} Por otro lado, el efecto Casimir puede interpretarse como la fuerza relativista de van der Waals . ^{[ 16 ]}

Las partículas virtuales suelen describirse popularmente como pares formados por una partícula y una antipartícula , que pueden ser de cualquier tipo. Estos pares existen durante un tiempo extremadamente breve y luego se aniquilan mutuamente. En algunos casos, se puede impulsar la separación del par mediante energía externa para evitar la aniquilación y convertirlos en partículas reales, como se describe a continuación.

Esto puede ocurrir de dos maneras. En un sistema de referencia acelerado , las partículas virtuales pueden parecer reales para el observador acelerado; esto se conoce como el efecto Unruh . En resumen, el vacío de un sistema de referencia estacionario aparece, para el observador acelerado, como un gas caliente de partículas reales en equilibrio termodinámico .

Otro ejemplo es la producción de pares en campos eléctricos muy intensos, a veces denominada desintegración del vacío . Si, por ejemplo, un par de núcleos atómicos se fusionan para formar brevemente un núcleo con una carga mayor que aproximadamente 140 (es decir, mayor que aproximadamente el inverso de la constante de estructura fina , que es una magnitud adimensional ), la intensidad del campo eléctrico será tal que resultará energéticamente favorable 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 , ningún objeto o proceso que exista durante un tiempo limitado o en un volumen limitado puede tener una energía o un momento definidos con precisión. Por esta razón, las partículas virtuales —que existen solo temporalmente al intercambiarse entre partículas ordinarias— no suelen obedecer la relación de masas ; cuanto más tiempo existe una partícula virtual, más se aproximan su energía y su momento a dicha relación.

La vida útil de las partículas reales suele ser mucho mayor que la de las partículas virtuales. La radiación electromagnética consiste en fotones reales que pueden viajar años luz entre el emisor y el absorbedor, pero la atracción y repulsión electrostática (de Coulomb) es una fuerza de alcance relativamente corto que es consecuencia del intercambio de fotones virtuales .

• ¿Las partículas virtuales aparecen y desaparecen constantemente?  – Gordon Kane, director del Centro de Física Teórica de Michigan en la Universidad de Michigan en Ann Arbor, propone una respuesta en el sitio web de Scientific American .
• Partículas virtuales: ¿Qué son?
• D. Kaiser (2005) American Scientist 93 pág. 156 artículo divulgativo