Estado de vacío cuántico

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. Sin embargo, el vacío cuántico no es un simple espacio vacío, ^{[ 1 ] [ 2 ]} sino que contiene ondas electromagnéticas fugaces y partículas que aparecen y desaparecen del campo cuántico. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

El vacío 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 de QED que incluye todas las partículas elementales conocidas y sus interacciones (excepto la gravedad). La cromodinámica cuántica (o QCD) es la parte del Modelo Estándar que trata las interacciones fuertes , y el vacío de QCD es el vacío de la cromodinámica cuántica. Es objeto de estudio en el Gran Colisionador de Hadrones y el Colisionador Relativista de Iones Pesados , y está relacionado con la denominada estructura de vacío de las interacciones fuertes . ^{[ 7 ]}

Si la teoría cuántica de campos puede describirse con precisión mediante la teoría de perturbaciones , entonces las propiedades del vacío son análogas a las propiedades del estado fundamental de un oscilador armónico cuántico , o más precisamente, al estado fundamental de un problema de medición . En este caso, el valor esperado del vacío de cualquier operador de campo se anula. Para las teorías cuánticas de campos en las que la teoría de perturbaciones falla a bajas energías (por ejemplo, la cromodinámica cuántica o la teoría BCS de la superconductividad ), los operadores de campo pueden obtener valores esperados del vacío distintos de cero mediante la ruptura espontánea de simetría . En el Modelo Estándar, el campo de Higgs adquiere un valor esperado distinto de cero cuando se rompe la simetría electrodébil, lo que explica parte de las masas de otras partículas.

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 medibles. 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 fundamental impuesto a una posible Teoría del Todo es que la energía del estado de vacío cuántico debe explicar la constante cosmológica observada físicamente.

Para una teoría de campos relativista , el vacío es invariante de Poincaré , lo cual se deduce de los axiomas de Wightman , pero también puede demostrarse directamente sin ellos. ^{[ 9 ]} La invariancia de Poincaré implica que solo las combinaciones escalares de operadores de campo tienen valores esperados de vacío distintos de cero . El vacío 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 ha ocurrido una ruptura espontánea de simetría .

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 pequeña cantidad 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 anisotrópica 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 a la del campo eléctrico. El efecto es similar al efecto Kerr, pero sin la presencia de materia. ^{[ 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 es enorme, aproximadamente${\displaystyle 1.32\times 10^{18}}$V/m, conocido como el 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 para el dicroísmo desde la física de partículas, fuera de la electrodinámica cuántica. ^{[ 14 ]} Medir experimentalmente tal efecto es un desafío, ^{[ 15 ]} y aún no se ha logrado.

La presencia de partículas virtuales puede basarse rigurosamente en la no conmutación de los campos electromagnéticos cuantizados . La no conmutación significa que, si bien los valores promedio de los campos se anulan en un vacío cuántico, sus varianzas no lo hacen. ^{[ 16 ]} El término " fluctuaciones del vacío " se refiere a la varianza de la intensidad del campo en el estado de energía mínima, ^{[ 17 ]} y se describe de manera pintoresca como evidencia de "partículas virtuales". ^{[ 18 ]} A veces se intenta proporcionar una imagen intuitiva de las partículas virtuales, o varianzas, basada en el principio de incertidumbre energía-tiempo de Heisenberg : $${\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}\,,}$$ (donde Δ E y Δ t son las variaciones de energía y tiempo respectivamente; Δ E es la precisión en la medición de energía y Δ t es el tiempo tomado 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 cortos tiempos. ^{[ 19 ]} Aunque el fenómeno de las partículas virtuales es aceptado, 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 el préstamo de 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 temporal y que, sin embargo, satisfaga una relación de conmutación canónica con la energía. ^{[ 23 ] [ 24 ]} Muchos enfoques del principio de incertidumbre energía-tiempo son un tema extenso y continuo. ^{[ 24 ]}

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 muy idealizado que sea, reducir cualquier ensamblaje al cero absoluto en un número finito de operaciones. ^{[ 25 ]} (Véase también. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} )

La interacción fotón-fotón solo puede ocurrir 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 del vacío." ^{[ 30 ]} Esto significa que hay un componente del vacío cuántico respectivamente para cada campo componente (considerado en la ausencia conceptual de los otros campos), como el campo electromagnético, el campo electrón-positrón 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 sin carga se propone a menudo como un ejemplo de un efecto del campo electromagnético del vacío. Schwinger, DeRaad y Milton (1978) son citados por Milonni (1994) como una explicación válida, aunque no convencional, 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 sobre el campo electromagnético, denominado 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 la electrodinámica cuántica (QED) completamente convencional... Milonni proporciona un argumento detallado de que los efectos físicos medibles que generalmente se atribuyen al campo electromagnético del vacío no pueden explicarse solo con 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 del vacío son dos aspectos de lo mismo cuando se trata de interpretaciones físicas de varios procesos de QED, incluyendo el desplazamiento de Lamb , las fuerzas de van der Waals y los efectos de Casimir". ^{[ 33 ]}

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

• Copia gratuita en PDF de El vacío estructurado: pensar en la nada, de Johann Rafelski y Berndt Muller (1985) ISBN 3-87144-889-3.
• ME Peskin y DV Schroeder, Introducción a la teoría cuántica de campos .
• H. Genz, La nada: La ciencia del espacio vacío.
• Puthoff, HE; ​​Little, SR; Ibison, M. (2001). "Ingeniería del campo de punto cero y el vacío polarizable para el vuelo interestelar". arXiv : astro-ph/0107316 .
• EW Davis, VL Teofilo, B. Haisch, HE Puthoff, LJ Nickisch, A. Rueda y DC Cole (2006), " Revisión de conceptos experimentales para el estudio del campo de vacío cuántico ".

• Transformación de energía en materia