Otras carreras Partículas virtuales

[Pola]

Buenos días.

Estoy enredado con las partículas virtuales y tras leer y buscar sobre ellas, tengo alguna duda.

Como definiciones más precisa (o al menos que explican sus características de manera más clara para mí) he dado con dos:

Una que dice que son partículas que existen durante un periodo tan corto de tiempo que debido al principio de indeterminación de Heisemberg no es posible medir sus propiedades de forma exacta. Es una característica importante pero puede que sea un poco amplia, en el sentido de que podría haber otras partículas que la tuvieran y no sean partículas virtuales. ¿O no?

La otra las define simplemente como bosones: son las partículas transmisoras de fuerza. Esta me parece a mi que concreta más, pero es la que me genera dudas.

Porque por un lado, resulta que el fotón es también una partícula real. En el libro que ando leyendo, se dice que cuando transmite radiación ( cuando hay una “gran” cantidad de energía) es real y cuando transmite la interacción electromagnética es virtual.

Y por otro lado, tenemos mesones, formados por gluones reales.

O sea, que los fotones y los gluones pueden ser o no virtuales. ¿Hay alguna manera de entender bajo qué condiciones se comportan como partículas reales o virtuales? Se me hace raro que la misma partícula puede ser virtual y real a la vez.

[carroza]

https://forum.lawebdefisica.com/foru...ulas-virtuales

Hola. Recordarás que discutimos eso hace algunos años.

Un saludo

[Julián]

O sea, que los fotones y los gluones pueden ser o no virtuales

¿Puede un electrón en reposo o en movimiento uniforme emitir un fotón?

Haciendo un experimento mental. Si tenemos 2 electrones en una región, separados por una distancia $r$ y una configuración de campo eléctrico externo que anula la fuerza entre estos en un momento ${t}_{0}=0$, si en $t={t}_{0}+{t}^{'}$, anulamos la configuración de campo eléctrico externo. ¿Cómo se transmite la fuerza eléctrica entre los electrones? Debe por lo tantos transmitirse la interacción por fotones.

Si tomamos uno de los 2 electrones.

en ${t}_{0}$ tenemos que la energía del sistema ${E}_{T}={E}_{e}={m}_{e} {c}^{2}$

en ${t}_{0}+{t}^{'}$ tenemos que la energía del sistema ${E}_{T}={E}_{e}+{E}_{f}={m}_{e} {c}^{2}+\frac{1}{2}{m}_{e} {{v}_{e}}^{2} + h f$

Por lo que no se conserva la energía en el sistema electrón-vacio. ( Para bajas velocidades relativistas tenemos que la energía es $E = m {c}^{2} + \frac{1}{2} m {v}^{2}$ y para altas $E = \sqrt{{m}^{2} {c}^{4} + {p}^{2}{c}^{2}}$)

¿Por qué incluimos el término $\frac{1}{2}{m}_{e} {{v}_{e}}^{2}$? Pues por la conservación del momento.

en ${t}_{0}$ tenemos que el momento del sistema ${P}_{T}={P}_{e}={m}_{e}{v}^{2}=0$

en ${t}_{0}+{t}^{'}$ tenemos que el momento del sistema ${P}_{T}={P}_{e}+{P}_{f}={m}_{e}{v}^{2} - \frac{h f}{c} = 0$

Por lo que para que un electrón emita un fotón no se conserva la energía/momento? Y eso no puede pasar a menos que incluyamos el principio de incertidumbre de Heisenber.

$\Delta E \Delta t > \frac{\hbar}{2}$

Por lo que la indeterminación en la energía es inversamente proporcional al tiempo y "permite" tener un error en la energía cuanto mayor si menor es el tiempo transcurrido.

De esta manera

$\Delta E \approx \frac{1}{\Delta t}$

Como los electrones están separados una distancia $r$ entonces: $\Delta E \approx \frac{1}{r}$

Entonces un electrón en reposo puede emitir un fotón que será virtual porque la energía no se conserva. Y su indeterminación en la energía será mayor cuanto menor sea el tiempo transcurrido. Es decir, es posible que el fotón "emitido" tenga más energía cuanto menos tiempo transcurra.
Si los electrones en reposo están a una distancia $r$, sabemos por la observación que sentirán una fuerza que los "alejará" y será mayor cuanto más cerca estén de ellos. Es por esto que la interacción electroestática es mediada por fotones virtuales. Los cuales no medimos ("vemos") pero observamos la dispersión de los electrones.

Ahora bien, en el mundo macroscópico a esa interacción que en el microscópico la modelamos con partículas virtuales, la modelamos con una energía potencial.

$V = k \frac{{e}_{1}{e}_{2}}{r}$ y vemos la misma dependencia en función de $\frac{1}{r}$

De esta manera tenemos pues:

en ${t}_{0}$ tenemos ${m}_{e} {c}^{2} + V$ y en ${t}_{0} + {t}^{'}$ tenemos ${m}_{e} {c}^{2} +\frac{1}{2}{m}_{e}{v}^{2}+ V$ tal que $\frac{1}{2}{m}_{e}{v}^{2}+ V=0$

[javisot20]

En la indeterminación de la energía inversamente proporcional al tiempo, ¿ que tiempo disminuye?¿ La diferencia de energía entre t' y to ?

Me perdí en eso perdón..


Suponiendo que el tiempo transcurrido sea mínimo y que los valores de la energía en t' se aproximen a los valores en t0,
¿ es a la constante reducida/2 a lo mínimo que pueden converger ?

Saludos

[Julián]

En la indeterminación de la energía inversamente proporcional al tiempo, ¿ que tiempo disminuye?¿ La diferencia de energía entre t' y to ?

No, esos tiempos son 2 instantes en el experimento mental. En el cual tenemos 2 electrones a una distancia y que nunca han interaccionado e intercambiado momento energía.

Balance de energía en la interacción electrón-electrón.

$hf+m {c}^{2}+m {c}^{2} = m {c}^{2} +\frac{1}{2}m {v}^{2}+ m {c}^{2} + \frac{1}{2}m {v}^{2}$

El fotón debe "desplazarse" desde un electrón a otro para transferir momento/energía. Eso implica un tiempo. ¿De donde viene ese fotón que está en el miembro izquierdo de la ecuación? El electrón perturba el campo electromagnético. En el primer instante de nuestro experimento mental, los electrones están alejados y no tienen tiempo de que se intercambie fotones entre los electrones por lo que tenemos solo un sistema electrón-campo electromagnético (vacio)

Porque del balance de energía en la interacción electrón-electrón, que es la interacción real, modelamos matemáticamente que el electrón perturba el campo electromagnético, esa perturbación se desplaza e interacciona con el "otro" electrón intercambiando momento energía.

Balance de energía electrón-campo electromagnético:

$m {c}^{2} \neq m {c}^{2} + hf$

No hay conservación de energía, se viola la conservación de la energía, lo cual es válido por el principio de incertidumbre, pero los fotones más energéticos no pueden "existir" mucho tiempo por lo que mientras más alejados estén los electrones la interacción electrón - fotón virtual - electrón será menos energética. ¿Puede un fotón virtual intercambiar energía entre partículas reales? Pues sí y se comprueba experimentalmente. ¿Qué pasa con los fotones más energéticos que "viven" poco tiempo? Pues nada, digamos que vuelve al campo.

Ver una discripción análoga. http://electron6.phys.utk.edu/phys25...dard_model.htm

[Pola]

Pues gracias por las respuestas.

Mis disculpas a Carroza. Tienes razón. Contestaste extensamente las preguntas que hacía en ése hilo y también las que hicieron otras personas que participaron.

No es por cabezonería, pero hay (por lo menos en mi cabeza) una diferencia entre lo que preguntaba entonces y lo que pregunto aquí. En aquel momento me preguntaba (principalmente) qué eran las partículas virtuales. Ahora lo que no entiendo es cómo algunas partículas (fotones y gluones) pueden ser virtuales y reales indistintamente.

Releyendo el hilo que menciona, nos explicabas que:

0) ¿Qué es una partícula real? Es un modo de exitación de un campo cuántico con energía $E= \hbar \omega$, y un momento $\vec p = \hbar \vec k$, que cumple
$E^2 = c^2 p^2 + m^2 c^4$, y que por tanto puede propagarse libremente, y llegar a nuestros detectores.

1) ¿Qué es una partícula virtual? Es un modo de excitación de un campo cuántico, que no cumple $E^2 = c^2 p^2 + m^2 c^4$, y por tanto, no puede propagarse libremente y ser detectado. Típicamente una partícula virtual surge durante un periodo muy corto de tiempo, y se intercambia entre partículas reales.

O sea que si lo entiendo bien, los fotones y los gluones pueden en ocasiones cumplir ésa condición y en otras ocasiones no. ¿Correcto? ¿Y de qué depende que la cumplan o no?

Agradezco también la respuesta de Julián, que no soy capaz de entender completamente. Supone algunos conocimientos de física que no tengo. Y muy bueno el link. Ayuda a entender mejor éste asunto.

[javisot20]

"Dado que para un fotón la longitud de onda puede ser arbitrariamente grande y, por lo tanto, la energía arbitrariamente pequeña, podemos tener ΔE -> 0, Δt -> infinito. El fotón virtual puede tener un rango infinito."


Dentro del hilo que añades Julián ( muchas gracias por cierto ), este párrafo me causa más dudas pero supongo que es por intentar entender de manera intuitiva algo como un rango infinito.


¿ Eso es así ?, ¿ no produce contradicciones que la energía pueda ser arbitrariamente pequeña ? Saludos

[carroza]

0) ¿Qué es una partícula real? Es un modo de exitación de un campo cuántico con energía $E= \hbar \omega$, y un momento $\vec p = \hbar \vec k$, que cumple
$E^2 = c^2 p^2 + m^2 c^4$, y que por tanto puede propagarse libremente, y llegar a nuestros detectores.

1) ¿Qué es una partícula virtual? Es un modo de excitación de un campo cuántico, que no cumple $E^2 = c^2 p^2 + m^2 c^4$, y por tanto, no puede propagarse libremente y ser detectado. Típicamente una partícula virtual surge durante un periodo muy corto de tiempo, y se intercambia entre partículas reales.

O sea que si lo entiendo bien, los fotones y los gluones pueden en ocasiones cumplir ésa condición y en otras ocasiones no. ¿Correcto? ¿Y de qué depende que la cumplan o no?

Creo que eso lo conteste en
https://forum.lawebdefisica.com/foru...ulas-virtuales
a partir del #6, y entoces lo medio-entendiste.

No voy a repetir lo que se explicó alli. Simplemente, reafirmar que lo que tenemos es una Teoría Cuántica de Campos, que explica muy bien todos los fenómenos de los campos cuánticos. En particular, explica las excitaciones de los campos que corresponden a particulas reales, y las excitaciones de los campos que corresponden a particulas virtuales. De paso, también explica muchos fenómenos de campos (no perturbativos), que no se describen ni con particulas reales ni con particulas vituales.

Por poner una analogía, en meteorología tratamos del comportamiento de un campo que se llama "atmosfera". Ese campo puede tener ciertas excitaciones que llamamos borrascas (Filomena incluida), y anticiclones. Un meteorologo habla de borrascas y anticiclones en la descripción de fenómenos de excitación de la atmósfera, pero no usa una teoría de "borrascas" y "anticiclones" para hacer las predicciones. Utiliza modelos de evolución de la atmósfera que, en ciertos casos, dan lugar a comportamientos que se asocian con "borrascas" y "anticiclones", y en otros no,

Saludos.

[Pola]

Gracias de nuevo. Creo que me excedí con eso del medio-entendido. Un saludo

[Julián]

¿ Eso es así ?, ¿ no produce contradicciones que la energía pueda ser arbitrariamente pequeña ? Saludos

No, si la energía es pequeña, su momento también $E = \frac{P}{c}$ por lo que su contribución a la interacción es pequeña. No entiendo que contradicción puede existir

[javisot20]

En el sentido de que el producto de la energía implicada y el tiempo empleado (acción) toma valores discretos, múltiplos enteros de h..

[Julián]

El cuanto de energía de la radiación electromagnética no es $h$ sino $hf$ siendo $f$ la frecuencia. Así las ondas de radio tienen un cuanto de energía mucho más pequeño que la radiación visible.

[javisot20]

A menor frecuencia, mayor es la longitud de onda y menor es la energía del cuánto de acción.

Entiendo el concepto, aún así me quedan dudas pero me doy cuenta que se alejan del hilo, gracias Julián.