partícula virtual

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Las partículas virtuales son fluctuaciones cuánticas de los campos (los campos cuánticos son entidades fundamentales que describen las partículas como excitaciones), que aparecen brevemente en el vacío debido a la incertidumbre de la energía. No existen como partículas libres reales, pero median interacciones y cambian las propiedades del vacío.

History

La idea surgió en las décadas de 1920-30 con el desarrollo de la electrodinámica cuántica, y fue descrita formalmente en los años 1940 por Richard Feynman y otros.

How it works

Dos barcos intercambian veloces remeros que saltan del agua y regresan. Los remeros pasan desapercibidos, pero empujan los barcos. Así, las partículas virtuales transmiten fuerzas entre partículas ordinarias: por ejemplo, los fotones virtuales hacen que un imán sea atrayente.

💡 La energía de las partículas virtuales influye en el espectro del átomo de hidrógeno; esto se llama desplazamiento de Lamb, medido con enorme precisión.

Dentro de la teoría cuántica de campos, las partículas virtuales son líneas internas en los diagramas de Feynman, correspondientes a términos matemáticos en la expansión perturbativa. Son fluctuaciones cuánticas de los campos subyacentes, que obedecen al principio de incertidumbre de Heisenberg (ΔE·Δt ≥ ħ/2 — es imposible conocer con precisión la energía y el tiempo simultáneamente), lo que permite tomar prestada energía del vacío por un breve tiempo para crear pares partícula-antipartícula.

History

El concepto se desarrolló a partir de los trabajos en electrodinámica cuántica (QED). Paul Dirac introdujo en 1927 la teoría de emisión y absorción, y la idea de las partículas virtuales fue formalizada a finales de la década de 1940 por Richard Feynman, Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga, quienes recibieron el Premio Nobel por ello. Probablemente el término fue acuñado por Wheeler. John Wheeler también investigó la espuma cuántica, donde las partículas virtuales subyacen a la geometría rugosa a escalas de Planck.

How it works

De acuerdo con el principio de incertidumbre, las fluctuaciones del vacío de los campos crean pares virtuales. En QED, los fotones virtuales transmiten la interacción electromagnética entre partículas cargadas: cada vértice en un diagrama de Feynman corresponde al acto de emisión o absorción de una partícula virtual. Pueden estar 'fuera de la capa de masa' (su energía-momento no cumple E² = p²c² + m²c⁴), a diferencia de las partículas reales. Los efectos de las partículas virtuales se manifiestan en la polarización del vacío, el desplazamiento de Lamb, el momento magnético anómalo del electrón y, macroscópicamente, en el efecto Casimir, donde aparece una fuerza atractiva entre dos placas conductoras cercanas debido a la diferencia en la densidad de fotones virtuales fuera y dentro.

\Delta E \Delta t \geq \frac{\hbar}{2}

ΔE — incertidumbre en la energía; Δt — incertidumbre en el tiempo; ħ = h/(2π) ≈ 1.054571817×10⁻³⁴ J·s — constante reducida de Planck.

Open problems & fun facts

¿Cómo explicar la constante cosmológica si la energía del vacío de las partículas virtuales se predice 120 órdenes de magnitud mayor de lo observado?; ¿Cuál es el papel de las partículas virtuales en la gravedad cuántica, especialmente cerca de los agujeros negros, donde pueden contribuir a la radiación de Hawking?; ¿Es posible distinguir experimentalmente entre partículas virtuales y reales en escalas de tiempo ultracortas?

💡 En campos electromagnéticos intensos (por ejemplo, cerca de núcleos de gran carga), los pares virtuales electrón-positrón pueden convertirse en reales: es el 'mecanismo de Schwinger' de producción de partículas, predicho en 1951.

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