Divulgación Vacío cuántico y fotones

[adanada]

quisiera saber si existen los fotones virtuales producidos por el vacío cuántico.

quiero decir: siempre se habla de los pares partícula-antipartícula que se forman en el vacío y se aniquilan casi al instante. pero entiendo, que por una cuestión de energía necesaria, es mucho más fácil (más común, más probable) que se formen neutrinos y aun más fácil, fotones.
entonces, dado que el fotón es su propia antipartícula, se forman sin más, pares de fotones en direcciones opuestas?
y no veo forma que este par se aniquile entre sí. con lo que resulta que el vacío sería visible.
y esto no concuerda con lo que se observa....

[Alriga]

Re: Vacío cuántico y fotones

... quisiera saber si existen los fotones virtuales producidos por el vacío cuántico ...

No soy experto pero entiendo que sí se producen, ya que creo que no está prohibido por violar ninguna ley de conservación, y en cuántica todo lo que no está prohibido sucede con mayor o menor probabilidad. Eso sí su energía y tiempo de vida deben cumplir

$$\Delta E \cdot \Delta t \approx \dfrac{\hbar}2$$

... entonces, dado que el fotón es su propia antipartícula, se forman sin más, pares de fotones en direcciones opuestas?
y no veo forma que este par se aniquile entre sí. con lo que resulta que el vacío sería visible.
y esto no concuerda con lo que se observa....

Yo plantee algo parecido hace poco, en relación a la creación de pares virtuales, por ejemplo un electrón y un positrón, dije:

" ... aparecen de la nada, adquieren energía $\Delta E$ y desaparecen en la nada después de un tiempo $\Delta t$ restringido por la relación (1) Como nacen de un momento lineal inicial cero, las dos partículas virtuales aparecen necesariamente en la misma dirección pero viajan en sentidos opuestos, luego no es posible que interaccionen entre ellas aniquilándose para dar lugar a un fotón. Simplemente, al cabo de $\Delta t$ desaparecen"

carroza amablemente me corrigió explicándome que:

" ...La imagen de un electrón y un positrón apareciendo en un punto, viajando en direcciones opuestas y desapareciendo, cada una en un punto distinto, sin interaccionar entre ellas no es correcta. Por un lado, la cuántica nos dice que hay incertidumbre entre momento y posición. No es buena idea hablar de velocidades, y de puntos de creación y aniquilación, en el mismo argumento..."

Y a continuación lo argumentó en términos del Hamiltoniano, tema que yo no puedo aclararte porque no lo domino.

Saludos.

[carroza]

Re: Vacío cuántico y fotones

Hola.

Estictamente, y a pesar de las imágenes divulgativas, el vacío cuántico no da lugar a pares de partícula y antipartícula virtuales. Un fotón real si puede dar lugar a un par electrón-positrón virtuales. Un electrón real si puede dat lugar a un electón y un fotón vortuales.

Lo que sí puede proiducir el vacío cuántico es un electrón, un positrón y un fotón virtuales. O bien un quark, un antiquark, y un gluón viertiales. O bien, un neutrino, un positrón y una W- virtuales. En general, un estado que pueda conectarse con el vacío teórico (cero partículas) a través de términos que aparezcan en el lagrangiano de interacción.

Vamos a tu pregunta. Imagina que, efectivamente, tenemos una componente en el vació cuántico en el que aparece un fotón, con un momento dado, un electrón con un momemto dado, y un positrón con un momento dado. La suma de esos tres momentos debe ser cero (compatible con el vacío), pero también la suma de sus tres energías deben ser cero. Eso nos indica que no podemos, de forma alguna, confundir las particulas virtuales con las particulas "reales", en las que la energía es siempre positiva y está relacionada con el momento. Las particulas virtuales no se "alejan" unas de otras.

la imagen que podemos tener es que en el vacio cuántico se forman unas fluctuaciones localizadas de los campos de electrones, positrones y electromagnéticos. Si a esos campos les hacemos un desarrollo de Fourier, tenemos componentes que podemos asociar con un fotón, un electrón y un positron de momentos dados. Pero estas componentes no pueden "viajar" como partículas libres, ya que no tiene la energía suficiente. Si estudiamos la evolución temporal de estas fluctuaciones (para eso tenemos los lagrangianos de interacción), vemos que las fluctuaciones aparecen y desaparecen, cosa que podemos interpretar, a la vista del desarrollo de fourier, como procesos de creación de electrón, positrón y fotón, seguidos por procesos de aniquilación de estas tres partículas.

Una imagen clásica, en certo modo relacionada, es lo que ocurre si observas un líquido, a temperaturas próximas al punto de ebullición (el agua que pones para cocer la pasta). Si te fijas en detalle, hay pequeñas burbujas que se forman, por fluctuaciones térmicas, pero no pueden crecer para formar una burbuja que llegue a la superficie, porque no tienen energía suficiente. Se forman, y se reabsorben.

Saludos

[adanada]

Re: Vacío cuántico y fotones

" ... aparecen de la nada, adquieren energía $\Delta E$ y desaparecen en la nada después de un tiempo $\Delta t$ restringido por la relación (1) Como nacen de un momento lineal inicial cero, las dos partículas virtuales aparecen necesariamente en la misma dirección pero viajan en sentidos opuestos, luego no es posible que interaccionen entre ellas aniquilándose para dar lugar a un fotón. Simplemente, al cabo de $\Delta t$ desaparecen"

la idea que yo tenía era que electrón y positrón se atraían por la carga y se aniquilaban entre sí. pero con esa idea no encuentro cómo aniquilar fotones.
entonces sería más correcto pensar que simplemente son reabsorbidos (desaparecen) por sus respectivos campos?


a ver si está bien lo que yo veo de lo que tú dices carroza:

Un fotón real si puede dar lugar a un par electrón-positrón virtuales. Un electrón real si puede dar lugar a un electrón y un fotón virtuales.

un fotón real también puede dar lugar a un par electrón-positrón reales si tiene la suficiente energía.

lo que sí puede producir el vacío cuántico es un electrón, un positrón y un fotón virtuales. O bien un quark, un antiquark, y un gluón virtuales.

pero en el vacío el par (tríada) electrón-positrón nunca son lo suficientemente energéticos para hacerse reales, porque con la energía necesaria para ello, el vacío "elige" crear un par de qurk-antiquark (que a ojo son más masivos) con poca energía.

y si, ya sé que he visto cosas que no dices. pero es como se me ocurre interpretarlo.
y perdón por insistir en querer entender estas cosas sin conocer a lagrange o a fourier.

[carroza]

Re: Vacío cuántico y fotones

un fotón real también puede dar lugar a un par electrón-positrón reales si tiene la suficiente energía.

No es correcto. Para que un fotón real pueda dar lugar a un par electrón-positrón reales debe conservarse energía y momento. Esto no puede producirse, sea cual fuere la energía del fotón. Solamente si el fotón choca con un núcleo, y le trasnmite parte de su momento, se produce un par real electrón-positron.

pero en el vacío el par (tríada) electrón-positrón nunca son lo suficientemente energéticos para hacerse reales, porque con la energía necesaria para ello, el vacío "elige" crear un par de qurk-antiquark (que a ojo son más masivos) con poca energía.

Esto no tiene sentido. El vacio es el estado de mínima energía, y en el obviamente no hay energía ni para pares electrón-positrón reales, ni para pares quark-antiquark reales. El vacio no elige nada. Tiene, en la "cosa" que guia su evolución, que llamamos lagrangiano, algo que crearía grupos de fotón-electrón-positron, que serían reales si hubiera la energía suficiente para crearlos. Como no la hay, esa "cosa" que guia la evolución da lugar a una fluctuación de los campos que llamamos foton-electron-positrón virtuales.

[Alriga]

Re: Vacío cuántico y fotones

... un fotón real también puede dar lugar a un par electrón-positrón reales si tiene la suficiente energía ...

... No es correcto. Para que un fotón real pueda dar lugar a un par electrón-positrón reales debe conservarse energía y momento. Esto no puede producirse, sea cual fuere la energía del fotón. Solamente si el fotón choca con un núcleo, y le transmite parte de su momento, se produce un par real electrón-positrón ...

adanada, como te explica carroza es imposible que un fotón real aislado, por muy energético que sea cree un par electrón-positrón, puedes ver una demostración aquí:

Imposibilidad de la creación de pares electrón – positrón en el vacío

Saludos.

[adanada]

Re: Vacío cuántico y fotones

gracias alriga, muy clara tu demostración.
pero me surgen más dudas, je je. si agregamos un neutrino u otro fotón al par partícula-antipartícula... (lo que corresponda según feynman) eso no podría equilibrar el momento y la energía? pero sigamos con el vacío.


carroza, tu primero afirmas que un fotón real si puede crear un par electrón positrón virtuales (por eso yo lo tomé como ejemplo) y luego me dices q ese mismo fotón no puede crear un par real por momento y energía. tengo entendido q para la creación de partículas virtuales también se debe conservar energía y momento. o no?

y sobre el vacío tú dices que en él hay fluctuaciones. entonces (si, los conocimientos que tengo sobre el mismo son divulgativos, no matemáticos) hay "cosas" que son capaces de "robarle" o "pedirle prestada" energía. y esto por más mínima que sea su energía.
y tengo entendido q teóricamente se pueden formar todo tipo de partículas virtuales, incluso higgs o top (aunque sea muy improbable)
en lo que voy en falso es en creer que para crear una partícula masiva (un par, o una tríada), sea cuál sea, se necesitaría más energía que para una poco masiva.

si hasta acá voy bien... entonces mi pregunta es cuánta energía se necesita para crear partículas masivas (quark-antiquark por ejemplo) virtuales.
y qué pasa si ésta misma energía la "inyectamos" en los campos fotónicos, electrónicos y positrónicos.
quiero decir....

acá E puede ser tan grande como queramos no? entonces por qué les falta energía para hacerce reales?

y no me ha contestado si sería más correcto pensar que una pareja virtual es reabsorbida (desaparece) por sus campos a pensar que se aniquilan

[Alriga]

Re: Vacío cuántico y fotones

...pero me surgen más dudas, je je. si agregamos un neutrino u otro fotón al par partícula-antipartícula... (lo que corresponda según feynman) eso no podría equilibrar el momento y la energía? pero sigamos con el vacío ...

Seguro que no. No soy experto pero seguro que esas otras desintegraciones que propones violan alguna ley de conservación, (carga, energía, momento, número leptónico, paridad, etc), ya que hasta donde se sabe el fotón es estable, (las medidas dicen que si no lo fuese, su vida media es al menos mayor que $10^{18}$ años, 70 millones de veces la edad del universo)

El fotón real solo se puede desintegrar reaccionando con la materia, como te ha explicado carroza, pero no él solo en el vacío.

Saludos.

[carroza]

Re: Vacío cuántico y fotones

carroza, tu primero afirmas que un fotón real si puede crear un par electrón positrón virtuales (por eso yo lo tomé como ejemplo) y luego me dices q ese mismo fotón no puede crear un par real por momento y energía. tengo entendido q para la creación de partículas virtuales también se debe conservar energía y momento. o no?

Hola. hay que tener claro que, en teoría cuántica de campos, las partículas tanto reales como virtuales son, simplemente, excitaciones de los campos, que tienen una cierta energía E y un cierto momento p.

La diferencia es que las "particulas reales" son excitaciones de campos que cumplen que su energía y su momento están relacionadas por la expresión $E^2 = (mc^2)^2 + (cp)^2$, mientras que las "partículas virtuales" son excitaciones de campos que no cumplen esa relación.
La consecuencia es que una excitación de campo que llamamos "particula real", obedeciendo las ecuaciones de movimiento de los campos, se propaga con una velocidad $v = pc^2/E$. Por tanto, una excitación de campo que llamamos "particula real" puede viajar grandes distancias (a escala atómica), conservando su energía y su momento, y puede depositar esa energía y ese momento en un detector lejano (a escala atómica). Por eso la podemos llamar "particula".

Sin embargo, una excitación de campo que llamamos "particula virtual", obedenciendo las ecuacione de los campos, se propaga de forma diferente, distorsionándose rápidamente, de manera que nunca puede llegar a un detector lejano. Para la "particula virtual", si llamamos $\Delta E = |E - \sqrt{(cp)^2 + (m c^2)^2}|$, entonces el tiempo típico que vive esta excitación es $\Delta t \simeq \hbar / \Delta E$. Tras este tiempo, la "particula virtual" puede, o bien dar lugar a dos partículas reales, o bien interaccionar con otra partícula (real o virtual) para dar una partícula real.

En todas estas interacciones, que son una visualización de un tratamiento estricto de la evolución de los campos basado en los diagramas de Feynmann, se conserva estrictamente la energía y el momento, así como la carga eléctrica, momento angular y el resto de los números cuánticos relevantes..

Creo que tienes una imagen mental de una partiula virtual como una partícula que no tiene la "suficiente energía" para ser real, y del vacío como una especie de baño térmico del que podríamos "tomar prestada" energía para hacer que una particula virtual se hiciera real. Esta imagen no es correcta, y no tiene nada que ver con la cuántica. Espero que puedas captar la imagen de partículas (reales y virtuales) como excitaciónes de campos, y a partir de ahi replantearte tus preguntas.

Saludos