Partículas virtuales: ¿Qué son?
Partículas virtuales: ¿Qué son?
El término “partícula virtual” es un tema infinitamente confuso y confuso para el profano, e incluso para el científico no experto. He leído muchos libros para laicos (sí, una vez fui un laico y recuerdo, a la edad de 16 años, leer sobre estas cosas) y todos hablan de partículas virtuales y ninguno de ellos ha tenido ningún sentido. a mi. Así que voy a intentar un enfoque diferente al explicárselo.
La mejor manera de enfocar este concepto, creo, es olvidar que alguna vez vio la palabra “partícula” en el término. Una partícula virtual no es una partícula en absoluto. Se refiere precisamente a una perturbación en un campo que no es una partícula. Una partícula es una onda agradable y regular en un campo, una que puede viajar sin problemas y sin esfuerzo a través del espacio, como el tono claro de una campana que se mueve en el aire. Una “partícula virtual”, generalmente, es una perturbación en un campo que nunca se encontrará por sí sola, sino que es algo que es causado por la presencia de otras partículas, a menudo de otros campos.
Tiempo de analogía (y muy cerca matemáticamente); pensar en el columpio de un niño. Si le das un empujón y lo dejas ir, se moverá de un lado a otro con un período de tiempo que siempre es el mismo, sin importar qué tan difícil fue el empujón inicial que le diste. Este es el movimiento natural del swing. Ahora compare ese movimiento regular, suave y constante hacia adelante y hacia atrás con lo que sucedería si comenzara a darle un empujón al columpio muchas veces durante cada uno de sus columpios de ida y vuelta. Bueno, el swing comenzaría a moverse por todo el lugar, en un movimiento muy poco natural , y no se movería sin problemas en absoluto. El pobre niño en el columpio estaría furioso contigo, ya que harías que su viaje sea muy incómodo. Este desagradable movimiento sacudido, esta perturbación del swing, es diferente del movimiento regular natural y preferido del swing de ida y vuelta, al igual que una perturbación de “partícula virtual” es diferente de una partícula real. Si algo hace una partícula real, esa partícula puede dispararse por sí sola a través del espacio. Si algo causa una perturbación, esa perturbación se desvanecerá, o se romperá, una vez que su causa haya desaparecido. Entonces no es como una partícula, y desearía que no lo llamáramos así.
Fig. 1: Dos electrones se acercan uno al otro; generan una perturbación en el campo electromagnético (el campo fotónico); esta perturbación los separa, y sus caminos se doblan hacia afuera. Uno dice que “intercambian fotones virtuales”, pero esto es solo una jerga.
Por ejemplo, un electrón es una partícula real, una onda en el campo de electrones; puedes sostener uno en tu mano, por así decirlo; puede hacer un haz de ellos y enviarlos a través de una habitación o dentro de un televisor del siglo 20 (un tubo de rayos catódicos). Un fotón también es una partícula real de luz, una onda en el campo electromagnético, y puedes hacer un haz de fotones (como en un láser). [No puedo tener uno en tu mano, ya que los fotones (en el vacío) ) siempre se están moviendo.]
Pero si dos electrones pasan cerca uno del otro, como en la Figura 1, debido a su carga eléctrica, perturbarán el campo electromagnético, a veces llamado campo de fotones porque sus ondulaciones son fotones. Esa alteración, dibujada caprichosamente en verde en la figura, no es un fotón. No es una onda moviéndose a la velocidad de la luz; en general, no es una onda en absoluto, y ciertamente no tiene la obligación de moverse a ninguna velocidad. Dicho esto, no es en absoluto misterioso; es algo cuyos detalles, si conocemos los movimientos iniciales de los electrones, se pueden calcular fácilmente. Exactamente las mismas ecuaciones que nos dicen acerca de los fotones también nos dicen cómo funcionan estas perturbaciones ; de hecho, las ecuaciones de los campos cuánticos garantizan que si la naturaleza puede tener fotones, también puede tener estas perturbaciones . Quizás, desafortunadamente, a este tipo de perturbación, cuyos detalles pueden variar ampliamente, se le dio el nombre de “partícula virtual” por razones históricas, lo que hace que suene más misterioso y parecido a las partículas, de lo que es necesario. [Los estudiantes de matemáticas y física reconocerán los fotones reales como soluciones de una ecuación de onda, y los fotones virtuales en relación con la función de Verde asociada con esta ecuación.]
Fig. 2: Como en la Figura 1, para un positrón (un anti-electrón) y un electrón; ahora la perturbación ligeramente diferente hace que las dos partículas se atraigan entre sí, y sus caminos están doblados hacia adentro.
Esta perturbación es importante, porque la fuerza que ejercen los dos electrones entre sí, la fuerza eléctrica repulsiva entre las dos partículas de la misma carga eléctrica, es generada por esta perturbación. (Lo mismo es cierto si un electrón y un positrón pasan cerca uno del otro, como en la Figura 2; la perturbación en este caso es similar en tipo pero diferente en sus detalles, con el resultado de que el electrón y el positrón cargados de manera opuesta son atraídos a cada uno otro.) Los físicos a menudo dicen, y los libros de laicos repiten, que los dos electrones intercambian fotones virtuales . Pero esas son solo palabras, y conducen a muchas confusiones si empiezas a imaginar esta palabra “intercambio” en el sentido de que los electrones lanzan fotones de un lado a otro como dos niños podrían lanzar una pelota. No es difícil imaginar que lanzar bolas de un lado a otro pueda generar una repulsión, pero ¿cómo podría generar una fuerza atractiva? El problema aquí es que la intuición que surge de la palabra “intercambio” simplemente tiene demasiados defectos. Para comprender realmente esto, necesita una pequeña cantidad de matemáticas, pero desafortunadamente la matemática no es suficiente. Creo que es mejor que el laico entienda que el campo electromagnético está perturbado de alguna manera, ignore el término “fotones virtuales”, que en realidad es más confuso que esclarecedor, y confíe en que se debe hacer un cálculo para descubrir cómo La perturbación producida por los dos electrones hace que se rechacen entre sí, mientras que la perturbación entre un electrón y un positrón es lo suficientemente diferente como para causar atracción.
Fig. 3: Un electrón puede considerarse ingenuamente como un rizo de intensidad mínima, el rizo mínimo, en un campo de electrones. Pero el electrón interactúa con el campo de fotones (es decir, el campo electromagnético) y puede crear una perturbación en él; Al hacerlo, también deja de ser una partícula normal y se convierte en una perturbación más general. La combinación de las dos perturbaciones (es decir, las dos “partículas virtuales”) sigue siendo una partícula con la energía, el momento y la masa del electrón entrante.
Ahora hay muchos otros tipos de perturbaciones que los campos pueden exhibir que no son partículas. Otro ejemplo, y científicamente uno de los más importantes, se muestra en la naturaleza misma de las partículas. Una partícula no es tan simple como he descrito ingenuamente. Incluso decir que una partícula como un electrón es una onda puramente en el campo de los electrones es una afirmación aproximada, y en ocasiones el hecho de que no sea exactamente lo verdadero importa.
Resulta que, dado que los electrones llevan carga eléctrica, su presencia perturba el campo electromagnético que los rodea, y así los electrones pasan parte de su tiempo como una combinación de dos perturbaciones, una en el campo de electrones y otra en el campo electromagnético . La perturbación en el campo de electrones no es una partícula de electrones, y la perturbación en el campo de fotones no es una partícula de fotones. Sin embargo, la combinación de los dos es tal como una buena onda, con una energía y un momento bien definidos, y con una masa de electrones. Esto se ilustra esquemáticamente en la Figura 3.
Fig. 4: El diagrama de Feynman necesario para calcular el proceso en la Fig. 3. Uno dice “el electrón emite y reabsorbe un fotón virtual”, pero esto es solo una abreviatura de la física que se muestra en la Fig. 3.
El lenguaje que usan los físicos para describir esto es el siguiente: “El electrón se puede convertir en un fotón virtual y un electrón virtual, que luego se transforma en un electrón real”. Y dibujan un diagrama de Feynman que se parece a la Figura 4. Pero realmente significa es lo que acabo de describir en el párrafo anterior. El diagrama de Feynman es en realidad una herramienta de cálculo, no una imagen del fenómeno físico; Si desea calcular qué tan grande es este efecto, tome ese diagrama, conviértalo en una expresión matemática de acuerdo con las reglas de Feynman, comience a trabajar un poco con un poco de papel y un bolígrafo, y pronto obtendrá la respuesta.
Fig. 5: Como en la Figura 3, para un fotón. El fotón puede convertirse en una perturbación en el campo de electrones. Esta perturbación tiene algunas regiones con carga eléctrica negativa y otras con carga eléctrica positiva, pero con carga total cero, como el propio fotón entrante. El fotón puede hacer lo mismo con otros campos cargados, como el campo de muones.
Otro ejemplo involucra al fotón mismo. No es simplemente una onda en el campo electromagnético, sino que pasa parte de su tiempo como una perturbación del campo electrónico, de modo que la combinación sigue siendo una partícula sin masa. El lenguaje aquí es decir que un fotón puede convertirse en un electrón virtual y un positrón virtual, y viceversa; pero nuevamente, lo que esto significa realmente es que el campo de electrones es perturbado por el fotón. Pero, ¿por qué estamos viendo un positrón, un anti-electrón, y, sin embargo, solo me refiero al campo de los electrones? La razón se relaciona con la razón de que existen antipartículas en primer lugar: cada campo, por su propia naturaleza, tiene ondulaciones de partículas y ondulaciones de antipartículas. Para algunos campos (como el campo de fotones y el campo Z) estas ondulaciones de partículas y antipartículas son en realidad la misma cosa; pero para campos como los electrones y los quarks, las partículas y antipartículas son bastante diferentes. Entonces, lo que sucede cuando el campo de electrones es perturbado por un fotón que pasa es que se configura una perturbación que tiene una perturbación similar a la de un electrón con una carga eléctrica negativa neta, y una perturbación similar a un positrón con una carga positiva neta, pero la perturbación en su conjunto , como el fotón en sí, no lleva ninguna carga neta.
Para aquellos que aprendieron (y recuerdan un poco de) la física de primer año, lo que está sucediendo es que el campo eléctrico oscilante que conforma el fotón está polarizando el campo de electrones, lo que induce un momento dipolar. ¿Recuerdas los dieléctricos y cómo los campos eléctricos pueden polarizarlos? Bueno, el vacío del espacio vacío en sí mismo, porque tiene un campo de electrones en él, es un medio polarizable, una especie de dieléctrico.
Fig. 6: El diagrama de Feynman necesario para calcular el proceso en la Fig. 5. Uno dice que “el fotón se convierte en un par virtual de electrón-positrón”, pero esto es solo un resumen de la física que se muestra en la Fig. 5.
Por cierto, lo mismo ocurre con todos los demás campos cargados eléctricamente, incluidos los del muón, el quark up, etc.
[Aquí, por cierto, encontramos otra razón por la cual “partícula virtual” es un término problemático. Varias personas me han preguntado algo como esto: “Dado que el diagrama de la Figura 6 parece mostrar que el fotón pasa parte de su tiempo como hecho de dos partículas masivas [recuerde que el electrón y el positrón tienen la misma masa, correspondiente a una masa-energía (E = m c-cuadrado) de 0.000511 GeV ], ¿por qué no le da masa al fotón? “Parte de la respuesta es que el diagrama no muestra que el fotón pasa parte de su tiempo tal como está a partir de dos partículas masivas. Las partículas virtuales, que son las que aparecen en el bucle en ese diagrama, no son partículas. No son buenas ondulaciones, sino disturbios más generales. Y solo las partículas tienen la relación esperada entre su energía, momento y masa; Las perturbaciones más generales no satisfacen estas relaciones. Así que tu intuición es simplemente engañada al leer mal el diagrama. En cambio, uno tiene que hacer un cálculo real del efecto de estas perturbaciones. En el caso del fotón, resulta que el efecto de este proceso en la masa del fotón es exactamente cero.]
Fig. 7: El electrón puede generar perturbaciones en el campo del fotón; la perturbación del fotón resultante puede a su vez crear perturbaciones en otros campos cargados eléctricamente, como el campo de muones.
Y sigue desde allí. Nuestra imagen de un electrón en la Figura 3 era todavía demasiado ingenua, porque la perturbación del fotón alrededor del electrón perturba el campo de muones, polarizándolo a su vez. Esto se muestra en la Figura 7, y el diagrama de Feynman correspondiente se muestra en la Figura 8. Esto sigue y sigue, con una ondulación en cualquier campo perturbando, en mayor o menor grado, todos los campos con los que directa o incluso indirectamente tiene una interaccion
Fig. 8: El diagrama de Feynman necesario para calcular el proceso que se muestra en la Figura 7.
Así que aprendemos que las partículas no son simples objetos, y aunque a menudo las describo ingenuamente como simples ondulaciones en un solo campo, eso no es exactamente cierto. Solo en un mundo sin fuerzas, sin interacciones entre partículas, ¡las partículas simplemente ondulan en un solo campo! A veces estas complicaciones no importan, y podemos ignorarlas. Pero a veces estas complicaciones son fundamentales, por lo que siempre debemos recordar que están ahí.
