Partículas virtuales I

Es difícil en poco tiempo y con pocas ecuaciones explicar que es una partícula real y virtual. Mi atrevimiento es más grande que mi conocimiento y esto me lleva a…

Para empezar tenemos que encontrar una unidad de energía apropiada para la escala atómica. La unidad adecuada es el electrón voltio (eV), donde 1eV =1,6·10-19 J. Según la unidad de eV, la escala energética nuclear usualmente esta en millones de eV, que se denomina Mega eV (MeV) y a la escala de partículas fundamentales esta en miles de millones de eV, que se denomina GigaeV (GeV)

Cuando chocan dos camiones, la energía de la colisión es de alrededor de 30 mil billones de GeV (giga electronvoltios o mil millones de electronvoltios), actualmente el LHC (Large Hadron Collider) en el CERN pretende llegar a 14 TeV (Tera electronvoltios) que son 14 billones de electrón-voltios, que son 14000 GeV, provocando la colisión entre dos partículas fundamentales. Es decir una colisión entre dos camiones genera unos 2 billones más de energía que la que generara el LHC en pleno funcionamiento.

Hay una diferencia fundamental entre la colisión entre dos camiones y dos partículas fundamentales. En el choque de camiones no se crea ninguna partícula, existen las mismas antes y después de la colisión. No se ha creado ninguna partícula nueva. En cambio en la colisión entre partículas fundamentales se crean partículas nuevas. Por ejemplo, en la colisión entre un protón y otro protón se crean cerca de un centenar de partículas con una energía de 600 GeV. ¿Cómo es posible esto?, la respuesta esta en que la colisión entre camiones es consecuencia de la dinámica clásica (macroscópica) y la colisión entre partículas de la dinámica cuántica (microscópica). Las dos dinámicas cumplen las leyes de la conservación de la energía y la cantidad de movimiento, pero con una diferencia, se atreven a imaginar cual es…

El tiempo de colisión. La duración del choque entre camiones es enorme comparado con el tiempo que dura la colisión entre partículas. También podemos verlo a partir de la velocidad, las colisiones entre las partículas individuales entre un camión y el otro es muy pequeña, extremadamente pequeña puesto que la velocidad es muy lenta, 1/10.000.000 la de la luz. La clave para entender cómo se crean las partículas está en la energía y el tiempo. La relación entre la energía y el tiempo en el mundo cuántico lo decide la desigualdad o principio de indeterminación de Heisenberg. El cual nos permite entender la naturaleza dual onda-partícula de la radiación y la materia, pero esta es otra historia.

El principio de indeterminación de Heisenberg entre la energía y el tiempo es

Donde ΔE es la indeterminación en la energía y Δt es la indeterminación en el tiempo. Un sistema que permanece en un estado estable durante un largo tiempo Δt su dispersión en la energía ΔE es pequeña. Per ejemplo, si la vida media de una partícula es de 10-22 s, la indeterminación en su energía es de unos 3,3 MeV. Generalmente se explica de la siguiente manera. Supongamos que existe un banco cuántico de energía que funciona de manera muy distinta a un banco clásico. El banco cuántico puede prestarte la cantidad de energía que quieras, solo impone una condición, si la energía es muy grande tienes que devolverla en muy poco tiempo, en cambio si la energía que pides es pequeña dispones de más tiempo para devolverla. Es decir, siempre tienes que devolver al banco cuántico la misma cantidad de energía que te presta, el precio a pagar es el tiempo.  Es como el cuento de la Cenicienta, se puede ser princesa e ir al baile en una carroza solamente durante un tiempo, hasta las 12 de la noche, entonces la carroza vuelve a ser una calabaza.

Esto es importante para entender cómo se producen las fuerzas, en particular la fuera electromagnética. Según la física clásica la fuerza entre partículas cargadas viene descrita por la ley de Coulomb. En la física cuántica la interacción entre partículas cargadas se describe mediante la emisión y absorción de fotones. Dos electrones se repelen entre sí cuando uno emite un fotón y el otro lo absorbe. Es como si un patinador sobre hielo lanzara una pelota a otro patinador, los dos se separarían debido al impulso generado por la pelota.

Si la fuerza electromagnética entre partículas viene determinada por los fotones, ¿de dónde salen? ¿De dónde proviene la energía para crearlos?. Justamente la indeterminación Energía-Tiempo de Heisenberg permite la creación de un fotón con una determinada energía ΔE siempre que viva solamente durante un tiempo Δt. Como en el ejemplo anterior, si la interacción entre partículas dura solamente un tiempo de 10-22 s, la energía del fotón puede ser de hasta 3,3 MeV. Un fotón que existe durante un corto tiempo debido a la indeterminación de Heisenberg se le denomina fotón virtual.

Una partícula libre y estable, es decir, que no interacciona con ningún campo externo o con otras partículas, se puede considerar que tiene un tiempo de vida infinito Δt = ∞ y en consecuencia su indeterminación en la energía es cero ΔE = 0. En el sistema de referencia de la partícula significa que su energía es Mc2. En otro sistema de referencia en donde la partícula no está en reposo su energía total E y la cantidad de movimiento P cumplen la condición

a esta partícula se la denomina real. En contraposición una partícula que tiene solamente una breve existencia y no se encuentra libre de campos externos, como electromagnéticos o gravitatorios, entonces el principio de indeterminación de Heisenberg indica el valor de su energía y no cumple la ecuación anterior de la energía. A esta partícula se la denomina virtual.

Las partículas virtuales tienen efectos impresionantes en la construcción del vacío cuántico. Se lo cuento en otro post, este ya viene muy cargado.

Encontraran la continuación en “Partículas Virtuales II

Acerca de Carles Paul

Licenciado en Ciencias Físicas por la Universidad de Barcelona, Master en Física y Matemática Aplicada por la Universidad Politécnica de Cataluña y Master en Historia de la Ciencia por la Universidad Autónoma de Barcelona. Técnico Experto Evaluador Europeo. Profesor titulado de física y matemáticas de la Politècnica de Mataró, des de 1991. Director Científico de Innovem.
Esta entrada fue publicada en Física y etiquetada . Guarda el enlace permanente.

7 respuestas a Partículas virtuales I

  1. JOSE dijo:

    Saludos.

    Me llama la atención la fórmula que relaciona la energía total al cuadrado de la partícula en un sistema de referencia con la energía al cuadrado de la partícula en su propio sistema de referencia más la energía al cuadrado debida al momentum.

    Me parece que uno podría imaginar un triangulo rectangulo donde la hipotenusa es la energía total y los catetos son la energía de la partícula en su sistema de referencia y la energía debida al momentum (pc).

    Creo que si fuese así entonces uno podría asociar a un cateto (el del momentum) el eje espacial y al otro cateto el eje temporal.Aceptando esto, la energía total (hipotenusa) formaría un angulo A con el eje temporal y se cumpliría que :

    seno (A) = v/c donde v es la velocidad de la partícula y c la velocidad de la luz. Esto sale de:

    pc p
    tan (A) = —- = —
    Mc^2 Mc

    Convirtiendo p a mc con m igual a M/factor relativista se obtiene :

    v
    tan(A) = ———————–
    c * raiz(1 – ((v/c)^2)

    Claramente podemos interpretar la raiz como el coseno y por tanto sen(A) = v/c

    Pero creo que entonces podríamos decir que tenemos una velocidad c en la dirección de la energía total y una velocidad v en la dirección espacial. Al hacerlo así la velocidad en la dirección temporal (Vt) y en la dirección espacial (Ve) sería :

    Vt = c * cos(A)
    Ve = c * sen(A) = c*v/c = v como debe ser.

    Si el angulo A es cero, la velocidad de la partícula es solo en el eje del tiempo y es igual a c (partícula en reposo espacialmente).

    Si el angulo A es 90 grados, la velocidad de la partícula es solo en el eje espacial y es igual a c (como un fotón).

    La conclusión de todo esto sería increible :

    “Todas las partículas se mueven SIEMPRE a la velocidad de la luz por el espaciotiempo”

    Cuánta velocidad se observa en el espacio depende del angulo que la partícula forma con el eje del tiempo, igualmente el “consumo de tiempo” de la partícula depende de dicho angulo.

    El factor relativístico sale naturalmente del mencionado angulo.

    No sería esto más natural que decir que la velocidad de la luz es invariable en todos los sistemas de referencia ?

    Gracias,

  2. Carles Paul dijo:

    Apreciado Jose,
    por supuesto, justamente una manera de acordarse de la fórmula es utilizar el teorema de pitágoras. He intentado buscar una manera fàcil i sencilla de deducir la fórmula pero no me ha salido, por eso he tardado más tiempo en contestarte. Tengo que ir a integrales, algun día lo coloco en algun post.

    Pero, la última parte relacionada con la velocidad no lo veo muy claro, descompones los ejes segun la velocidad c o v y esto no es correcto. Pues partes de energia y vas a parar a velocidad asi sin mas (al menos es lo que jo entiendo que haces). Aun que el resultado que obtienes es correcto, dices que “todas las particulas se mueven siempre a la velocidad de la luz por el espaciotiempo”, claro,todas las partículas sin masa se mueven a la velocidad de la luz. Es lo que ocurre cuando haces que el ángulo sea 90 grados.
    En el espaciotiempo de los ejes espaciales y temporales, al ángulo de 45º corresponde a la velocidad de la luz.

    Aunque, repito, la teoría es mucho más complicada y hay que ir a integrales para desarrolar los conceptos de masa,energía y cantidad de movimiento.

    La asociación al teorema de pitagoras, es eso, solo una asociación y hay que ir con cuidado al extraer conclusiones.

    Por ejemplo, hace un tiemo me dedique a buscar una analogia entre el triangulo de energias que propones y el triangulo de impedancias en una corriente alterna. En al fondo la luz es una variación electromagnètica alterna. De ahi deducia conclusiones sobre la velocidad v como una resistencia (es la inercia?) y la velocidad de la luz c como una reactancia, no hay perdida de energia. Pero no le he dedicado más tiempo.

    Recuerdos

  3. Jordi Mas dijo:

    Molt apreciat Carles:

    He llegit precipitadament la teva exposició, per raons alienes a mi no he pogut aprofundir, però, és la teva exposició molt valuosa i aporta una aclaridora informació d’un profund interès, (relacionat amb les investigacions de camopo que ja coneixes).

    Només volia deixar constància que havia llegit el teu interessant exposició, i que en breu quan torni a Barna, ja estendré amb molt més deteniment. De moment queda el meu agraïment per les teves valuoses aportacions i amistat.

    Una forta abraçada i salutacions afectuosos a la teva família,

    Jordi Mas i Manjon

  4. Carles Paul Recarens dijo:

    Benvolgut Jordi,
    desitjo de tot cor que puguis continuar amb la teva feina i amb la mateixa il·lusió dels primers dies.

    Vaig una mica més estressat del normal ja que estic molt atrafegat amb un doctorat en historia de la ciència, que tot just començo fent un màster per posar-me al dia i per tant puc dedicar-hi menys temps al blog.

    Respecte a l’exposició de les partícules virtuals, com que em sortia molt llarg ho he separat en dues parts, un primer introductori (el que he publicat) i un altre (que faré aviat) sobre el comportament d’aquestes partícules virtuals en el que entenem com a buit quàntic. Mentre preparava aquest tema he recordat les partícules fantasma, un aspecte curiós introduït per David Deutsch. Son partícules que pertanyen a un altre univers però comparteixen el nostre multivers i interfereixen amb el nostre a nivell quàntic. Aquesta idea explica alguns resultats experimentals, també hi dedicaré un post.

    Records i espero que tinguis una milloria ràpida.

    Carles Paul

  5. Jordi Mas dijo:

    París, 9 d’octubre,

    Molt apreciat Carles:

    Agraït per la teva amable atenció. Doncs, estarem de tornada a Barcelona, el proper divendres, el meu handicap medul∙lar s’ha agreujat, i tinc analgèsia i immobilitat fins a l’alçada de les espatlles, de moment encara puc valer-me de les mans, no em preocupa el cos, només que els dolors són cada vegada més intensos, i com em nego a qualsevol medicació analgèsica ja que podria afectar a la meva capacitat cognitiva, m’ he de sobreposar al dolor físic.

    Les meves il.lusions són com el primer dia, no importen les adversitats d’aquesta mena, no sé si saps que vam residir anys passats al Tibet, el meu germà i jo, recordo una història breu però molt alliçonadora, era aquesta.

    Un monjo vivia en una cova, un dia va passar un pagès amb les seves cabres, i aquest li pregunta què cosa és el què fa ell allà, a la cova. El monjo respon, porto trenta anys en estat meditatiu i he arribat a la calma existencial. El camperol, llavors comença a increpar al monjo, dient que és un mandrós i mentider, fins que el monjo, furiós, l’increpa al camperol. El pagès sentint-li respon, ¡monjo necessites trenta anys més de meditació, encara no has assolit el coneixement del que presumies !, el monjo avergonyit va comprendre i va continuar amb la seva meditació.

    En la meva vida tot ha estat d’aquesta manera, cada vivència és i ha estat la sal i pebre de la meva història personal, ara l’únic que he de fer és adaptar la meva cadira de rodes a la situació present i continuar amb la meva tasca de recerca que és la meva “bogeria controlada personal”, (ja saps la meva ocupació, sóc psiquiatre) rient ..

    Bé, Carles quan torni a Barna, i passi un parell de dies reposant de l’esforç del viatge, té escriuré explicant els progressos de la investigació de camp (tan relacionades amb les partícules virtuals) , ja veuràs que són d’allò més interessants i prometedors.

    Atentament agraït, una forta abraçada (et felicito per el doctorat que estàs fent)

    Jordi

  6. Pingback: La radiación de Hawking « abcienciade

  7. itvboy dijo:

    :( Entendi casi nada,(soy informatico, no fisico) lo único que capte es que las particulas siempre se mueven a la velocidad de la luz en nuestro espacio-tiempo, pero que dependiendo su ángulo de inclinacion sobre el sistema espacio y tiempo, sera la velocidad observada en nuestro espacio. ah… Es facisnante la fisica cuántica… lastima que no estudie eso. Entonces.. una partícula que no se mueve en nuestro espacio, ¿Se mueve a la velocidad de la luz a 90 grados con respecto al espacio? (¿el eje del tiempo absorbe todo el movimiento?) olvidenlo, no soy fisico :(

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s