Partículas Virtuales II

Este post es la continuación de “Partículas Virtuales I

En el marco de la teoría cuántica el vacio no existe, es más bien algo complicado. Según el principio de indeterminación de Werner Heisenberg, la energía de una partícula sólo puede medirse con gran precisión si se dispone de mucho tiempo o si queremos medir la cantidad de movimiento de una partícula con gran precisión necesitamos disponer de una gran cantidad de espacio.

Estas ecuaciones significan que si queremos observar la estructura de una partícula a distancias atómicas no nos es posible determinar con gran precisión su cantidad de movimiento o su energía. El principio de indeterminación nos dice que el mundo submicroscópico de la mecánica cuántica es significativamente diferente del mundo ordinario que conocemos. El sentido común o mejor dicho, nuestro sentido común adquirido en nuestro mundo macroscópico no es aplicable al mundo submicroscópico. El conocimiento de la realidad de nuestro mundo clásico se basa en conocer las cosas como coches, pelotas, pantallas de ordenador, casas, etc. En el mundo cuántico de los electrones y los núcleos atómicos los objetos no son siempre lo que parecen. Existe cierta cantidad de imprecisión o incerteza, la realidad cuántica es confusa.

En otro post ya ampliare los detalles de este principio de indeterminación formulado en 1927 por Werner Heisenber, ahora solo nos interesa su aplicacion para entender el vacio cuántico.

Aplicamos la relación de Einstein entre masa y energia

al principio de indeterminación, puesto que no hay incertidumbre en la medición de la velocidad de la luz en el vacío, en el fondo la velocidad de la luz es una constante absoluta. Cualquier indeterminación en la medida de la velocidad tiene que ser consecuencia de la indeterminación en la medida de la masa, entonces

combinando esta expresión con el principio de Heisenber obtenemos una nueva indeterminación entre la masa y el tiempo.

Este resultado es asombroso, nos dice que durante un pequeño intervalo Dt de tiempo, no podemos estar seguros de cuanta cantidad de materia existe dentro de un espacio subatómico, aunque sea el espacio vacío. Durante este breve instante de tiempo la materia puede aparecer espontáneamente y luego desaparecer, siempre que la relación entre la masa y el tiempo cumplan la condición anterior. Así es la realidad cuántica, nada que ver con nuestro sentido común.

Por supuesto se tienen que cumplir algunas condiciones extras, como la conservación de la carga eléctrica. Según esto, un partícula por si sola no puede aparecer de la nada, tiene que hacerlo acompañada de una partícula idéntica pero con carga opuesta, esto es la antipartícula. Así pues, definitivamente podemos decir que en el mundo cuántico una cantidad igual de materia y antimateria pueden aparecer de la nada para desaparecer instantáneamente.

parejas virtuales electrón-positrón

Por ejemplo, un electrón (e) tiene carga negativa y su antipartícula, el positrón (e+) lleva carga positiva y la misma masa. Puesto que las partículas y las antipartículas aparecen en conjunto, a pares, la cantidad total de carga eléctrica del universo permanece constante. El proceso espontaneo de creación de una pareja electrón-positrón dura un tiempo increíblemente corto. Calculémoslo, la masa del electrón es de 9.11·10-31 kg

Así pues, una pareja electrón-positrón puede aparecer y desaparecer espontáneamente sin violar ninguna ley física, siempre que su existencia dure menos de 3,22·10-22 s. Para partículas con mayor masa el tiempo será menor. Por ejemplo, el protón tiene aproximadamente 2000 veces más masa que el electrón, las parejas protón-antiprotón pueden aparecer de la nada siempre que desaparezcan en un tiempo 2000 veces menor que el anterior calculado para la pareja electrón-positrón.

Aunque le parezca increíble, esto está sucediendo ahora mismo en el espacio situado entre sus ojos y la pantalla del ordenador, en definitiva en cualquier lugar del universo. Parejas de partículas y antipartículas están siendo constantemente creándose y destruyéndose en cualquier parte de nuestro universo. Pero no podemos observarlas directamente sin alterar el principio de indeterminación de Heisenberg, por este motivo se las denomina partículas virtuales.

Las partículas virtuales no pueden observarse directamente, pero podemos observar sus efectos. Imagine un electrón orbitando (por decirlo de alguna manera) un núcleo atómico, como el átomo de hidrógeno. La aparición y desaparición constante de las parejas partícula-antipartícula crean minúsculos campos electromagnéticos que sacuden ligeramente al electrón en su órbita. Estas pequeñas sacudidas producen ligeros cambios en las energías de las órbitas electrónicas y aparecerán pequeños desplazamientos en las líneas espectrales del átomo de hidrogeno.

Este desplazamiento fue detectado en 1947 por Willis Lamb y R.C. Retherford y se conoce como el desplazamiento Lamb, que viene a corroborar que el espacio vacío no está vacío, está lleno de partículas virtuales. A esto se le denomina el vacio cuántico y sus consecuencias pueden llegar a ser asombrosas. Lo cuento en un próximo post.

 

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.
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7 respuestas a Partículas Virtuales II

  1. plazaeme dijo:

    Hay que reconocer que tienes facilidad de explicar.

    Gracias.

  2. Pingback: La importancia de ser un protón « abcienciade

  3. Pingback: La radiación de Hawking « abcienciade

  4. gaston dijo:

    ¿En la creación de partículas virtuales, son posibles todas las energías (discretas), con la sola condición que el tiempo sea cada vez más breve?, considerar una energía superior a las logradas en el LHC.
    ¿De dónde, en última instancia proviene esa energía, que luego es devuelta a “ese origen”?, de ser el espacio-tiempo, ¿en cualquier parte del espacio-tiempo se pueden crear partículas virtuales de cualquier energía?, o ¿tiene relación limitante con la energía gravitacional de esa zona específica de espacio-tiempo (ej.: límite del horizonte de sucesos de un agujero negro?

  5. Carles Paul dijo:

    Apreciado Gaston,

    Primero tienes que tener en cuenta que el sentido común no funciona con la mecànica cuántica. En este caso de la adquisición de la energia hay que considerar el tiempo. Una partícula puede adquirir energia, pero por un tiempo limitado, tiene que devolverla.

    Te respondo directamente a la primera pregunta. Pues si, son posibles todas las energías, te pongo un caso límite. Una partícula puede adquirir energia infinita si la devuelve en un tiempo cero. Es la relación de Heisenberg para la energia-tiempo como bien dices en tu pregunta. Este es un caso límite imposible de suceder pero para que veas por donde van los tiros en mecànica cuántica.

    Este efecto no solo es aplicable a las partículas virtuales sino también a las partículas reales. El efecto túnel aplicado a los electrones se fundamente en esta relación energia-tiempo de Heisenber. Incluso tiene su aplicación tecnológica en los diodos zenner.

    La segunda pregunta es de premio Nobel, ni idea. Que és la energia? Que es la materia? Porque la velocidad de la luz es la que es? Porque la carga del electrón es la que es? I es igual a la del protón cambiado de signo? Estas preguntas elementales de física no tienen respuesta actualmente. Porque existen solamente cuatro fuerzas? Porque la gravedad parece que actua independientemente de las otras tres?

    De donde viene la energia? Pues es otra pregunta sin respuesta, fíjate que energia i masa son equivalentes. El concepto de inercia adquirida por una masa también es un tema desconocido, de alguna manera el bosón de Higgs que se busca con el LHC, esta directamente implicado en esta pregunta.

    Pero para responderte algo, vuelvo otra vez a decirte que el sentido común no funciona con la mecànica cuántica. El concepto de vacío no existe en mecànica cuántica. El vacío del universo no esta vacío, contienen energia, procedente de campos electromagnéticos, del propio espacio-tiempo i aquí entra en concepto de gravitación cuántica. Como se comporta el espacio-tiempo a distancias mucho mas pequeñas que los electrones. No se conoce la respuesta, una idea, un termómetro estático o moviéndose a velocidad constante en el vacío marcaria -273K, pero si el termómetro se encuentra acelerado detectara una tempertura superior, como si chocara con partículas exitentes en este vacio.

    Como ves el sentido común no funciona para nada en mecànica cuántica. La pregunta, De donde viene la energia? Es una pregunta que se puede hacer en mecànica clásica, pero no tienen sentido en mecànica cuántica.

    Aventuro una respuesta, la energia procede de un sistema no inercial (acelerado) en el vacío.

    En el caso de un agujero negro, simplemente tenemos campos gravitatorios mucho más potentes , que generan grandes aceleraciones, ves…de aquí surge la energia. Si no hay aceleración no se produce la energia, aplicamos ahora el principio de equivalenca de Einstein que dice: No se puede distinguir un sistema acelerado de un sistema gravitatorio.

    Por eso son tan importantes los estudios sobre agujeros negros, son zonas de universo con grandes campos gravitatorios y por tanto grandes aceleraciones. Es como un gran laboratorio para estudiar la gravedad cuántica i poder responder a tu segunda pregunta. El LHC intenta hacer esto pero en una escala muchísimo mas pequeña. Habra que esperar a que el experimento se ponga en marcha.

    Siento que me halla extendido tanto.

    Saludos cordiales

  6. De donde sacas toda esta información? Estoy investigando sobre los campos cuánticos y las partículas virtuales. Encuentro algunas explicaciones, pero nada de datos relevantes.

  7. Carles Paul dijo:

    Disculpa Felipe, he estado fuera una semana de vacacioes.
    Bueno, en principio de algunos apuntes de la carrera, las revistas scientific american, science y de los siguientes libros:

    – Los agujeros negros, los cuasars y el universo. H.L. Shipman. Ed. alhambra (1982).
    – Gravity’s Fatal Attraction. Black Holes in the Universe. Mitchell Begelman and Martin Rees.
    – Fisica Cuántica. Berkeley Physics Course Volumen 4. Ed. Reverte.
    – La materia-espacio-tiempo. Gilles Cohen. Tannoudji Michel Spiro. Ed. Espasa Universidad.(1988)

    Los dos primeros están mas dedicados a los agujeros negros.

    Saludos

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