Otras carreras Fluctuación cuántica del vacío

[Pola]

Buenos días. Tengo una duda (bueno, muchas) sobre el asunto que aparece en el título de éste hilo.

Hasta donde sé, que no es mucho, la fluctuación cuántica genera pares de partículas - anti partículas que desaparecen con muchísima rapidez al colisionar entre ellas (su periodo de vida es extremadamente corto). Como decía, hay muchas cosas que no entiendo.

1. La masa es un ente (espero que se acepte éste término tan vago) que concentra una enorme cantidad de energía. Osea que la generación de masa requiere mucha energía. ¿De dónde sale la energía para crear estas partículas y anti partículas?

2. ¿Cuál es el mecanismo que hace que estos pares choquen entre sí?

3. He leído que éste choque entre partículas y anti partículas es extremadamente eficiente al transformarse en energía: La energía que se genera es elevada (supongo que tanto como la que se necesitó para crearlas. ¿A dónde va a parar ésa energía? ¿Por qué no se detecta?

4. No sé si aquí ya estoy mezclando peras con manzanas, pero también he leído que tras el big bang, había tanta materia como anti materia. Lógicamente toda debió desaparacer, pero parece ser que por alguna razón que aún se desconoce, hay una parte mínima de la materia que o bien no interacciona con la anti materia o bien si interacciona da lugar a una partícula de materia. La verdad es que no recuerdo bien cuál de las dos opciones era. La pregunta es. ¿porqué con la fluctuación cuántica del vacío no ocurre lo mismo?

[Alriga]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

A la espera de que alguien que sepa más que yo te pueda responder en detalle, puedes empezar repasando este hilo: Vacío cuántico y fotones

Saludos.

[Pola]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

Gracias Alriga.

He leído en el hilo las explicaciones de Carroza y algo me ha aclarado. Parece que nos hacemos imágenes que no concuerdan mucho con la teoría. De todas formas, es un asunto complicado.

Si alguien pudiera ampliar la respuesta a mi pregunta nº 4...

[Weip]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

¡Hola! Antes de nada decir que no soy muy fan de este tipo de explicaciones divulgativas de las fluctuaciones cuánticas. Realmente creo que este concepto es algo técnico y no corresponde con la realidad de la forma en que se suele explicar: realmente una fluctuación cuántica es cuando la varianza del operador campo en el estado de vacío es no nula aunque la media sí lo es. De aquí a interpretarlo en términos de partículas virtuales que aparecen y desaparecen me parece que hay un salto. Aún así como tus preguntas van en esa dirección pues responderé según la imagen divulgativa. Pero insisto en que no me parece demasiado correcta.

1. La masa es un ente (espero que se acepte éste término tan vago) que concentra una enorme cantidad de energía. Osea que la generación de masa requiere mucha energía. ¿De dónde sale la energía para crear estas partículas y anti partículas?

Del vacío.

2. ¿Cuál es el mecanismo que hace que estos pares choquen entre sí?

Las partículas de materia y de antimateria tienen cargas opuestas así que se atraen. Aunque no sé si chocar es la palabra adecuada porque parece que hablemos de bolas de billar. Yo lo sustituiría por aniquilar.

3. He leído que éste choque entre partículas y anti partículas es extremadamente eficiente al transformarse en energía: La energía que se genera es elevada (supongo que tanto como la que se necesitó para crearlas. ¿A dónde va a parar ésa energía? ¿Por qué no se detecta?

De la 3 no comento porque nunca he visto esta explicación a la que haces referencia ni en divulgación ni de forma técnica. Mejor esperaremos a otro usuario que sepa más del tema.

4. No sé si aquí ya estoy mezclando peras con manzanas, pero también he leído que tras el big bang, había tanta materia como anti materia. Lógicamente toda debió desaparacer, pero parece ser que por alguna razón que aún se desconoce, hay una parte mínima de la materia que o bien no interacciona con la anti materia o bien si interacciona da lugar a una partícula de materia. La verdad es que no recuerdo bien cuál de las dos opciones era. La pregunta es. ¿porqué con la fluctuación cuántica del vacío no ocurre lo mismo?

La historia es que solo vemos planetas, estrellas y galaxias hechas de materia y no de antimateria, pero al principio del universo se supone que había la misma proporción de materia que de antimateria, con lo cual se tendrían que aniquilar entre ellas... y eso contradice lo que observamos. De alguna forma en el inicio del universo tuvo que haber algo que deshiciera esta proporción entre materia y antimateria haciendo que la primera predominase sobre la segunda. Es por eso que se hacen experimentos con antimateria para ver si tiene las mismas propiedades que la materia (salvo sus cargas, que como sabes son opuestas). Hasta ahora no se ha encontrado nada extraño, así que habrá que seguir trabajando en ello. Sobre tu pregunta en las fluctuaciones cuánticas lo que ocurre es que la partícula de materia y de antimateria se aniquilan entre ellas, como era de esperar.

Espero haberte ayudado con lo poquito que sé del tema.

PD: Por si quieres leer más sobre lo que comento al principio, dejo este link.

[carroza]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

4. No sé si aquí ya estoy mezclando peras con manzanas, pero también he leído que tras el big bang, había tanta materia como anti materia. Lógicamente toda debió desaparacer, pero parece ser que por alguna razón que aún se desconoce, hay una parte mínima de la materia que o bien no interacciona con la anti materia o bien si interacciona da lugar a una partícula de materia. La verdad es que no recuerdo bien cuál de las dos opciones era. La pregunta es. ¿porqué con la fluctuación cuántica del vacío no ocurre lo mismo?

Hola. La explicación de la bariogénesis (por qué vemos protones y electrones, en lugar de antirpotones y positrones), lo tienes en https://en.wikipedia.org/wiki/Baryogenesis . Esto requiere que las leyes de la física no sean idénticas para partículas y antipartículas. Es lo que se llama la violación de la simetría CP. Actualmente existen evidencias experimentales de la violación de CP, y esta violación queda bien descrita en el modelo estándar, que es el modelo que describe las propiedades de todas las partículas existentes.

Por supuesto, las fluctaciones del vacío son plenamente consistentes con el modelo estándar, y como tales, podría haber fluctuaciones en las que se violara la simetría CP. Lo que ocurre es que las fluctuaciones del vacío deben conservar la carga eléctrica y la energía, de forma que una hipotética fluctuación que creara partículas de la nada, lo hace durante un tiempo muy corto (tanto más corto cuanto mayor sea la masa de las partículas), con lo cual las fluctuaciones del vacío no son un mecanismo para generar asimetría entre partículas y antipartículas.

- - - Actualizado - - -

[Alriga]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

4. ... he leído que tras el big bang, había tanta materia como anti materia. Lógicamente toda debió desaparacer, pero parece ser que por alguna razón que aún se desconoce, hay una parte mínima de la materia que o bien no interacciona con la anti materia o bien si interacciona da lugar a una partícula de materia ...

Puedes ampliar algo (en castellano) la información que te ha dado carroza en Asimetría de bariones

Como ahí explica, existen varias hipótesis para explicar el desequilibrio de materia y antimateria que resulta en la bariogénesis, pero no existe consenso en forma de una teoría general que explique este fenómeno, resumiendo, a día de hoy no sabemos calcular el exceso de bariones respecto de antibariones en las condiciones del universo primigenio.

Saludos.

[Pola]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

Buenas tardes.

Gracias por las respuestas. La he leído con cuidado, así como los links que recomendáis. Me ha servido para aclararme en algunas ideas y también en conceptos que tenía un poco confusos, aunque también me pierdo mucho cuando la formulación es tan compleja como la que aparece en vuestras referencias.

Creo haber entendido poco más o menos, los argumentos para el desequilibrio entre materia y anti materia. Pero después de leeros, tengo dos dudas en las que os agradecería que me ayudarais a aclarar.

1. Me ha gustado la descripción del concepto de fluctuación cuántica del vacío que ha dado Weip: realmente una fluctuación cuántica es cuando la varianza del operador campo en el estado de vacío es no nula aunque la media sí lo es.

Partiendo de ella, supongo un campo en el que hay puntos donde su valor no es cero (varianza distinta de cero). Es decir, hay puntos donde la "energía" de ése campo tiene un valor. He unido esto (no sé si con alguna razón)con las formulas que ofrece carroza respecto a cuál es la energía de las partículas de materia y de antimateria y,. Y he supuesto que éstos pueden ser los valores no nulos del campo. ¿Es correcto o es una barbaridad? si no es correcto, ¿Cuál es la fórmula que facilita los valores del campo vacío? Y perdonar mi ignorancia: ¿qué significa la letra "p" en ésas fórmulas?

2. Perdón que vuelva hacia atrás, pero sigo con mi duda inicial número 3: a dónde va a parar la energía que se genera cuando la materia y la anti materia se aniquilan? ¿Por qué esa energía no es observable?

[carroza]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

1. ¿qué significa la letra "p" en ésas fórmulas?

2. Perdón que vuelva hacia atrás, pero sigo con mi duda inicial número 3: a dónde va a parar la energía que se genera cuando la materia y la anti materia se aniquilan? ¿Por qué esa energía no es observable?

p es el momento. De la misma manera que en mecánica clásica la energía cinética es $E_c = 1/2 m v^2 = p^2/2m$, en relatividad la energía total $E = \sqrt{ (m c^2)^2 + (cp)^2}$. Esta energía total $E$ es la suma de la energía en reposo, $E_0 = mc^2$ más la energía cinética $E_c$.

Cuando se aniguilan una partícula y una antipartícula, lo más común es que se produzcan dos fotones. Esta es la base de tomografía por emisión de positrones https://es.wikipedia.org/wiki/Tomogr..._de_positrones

Saludos

[Weip]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

Sobre el tema de la energía de las partículas de materia y antimateria hay que tener en cuenta que según la interpretación de las fluctuaciones cuánticas del vacío como partículas virtuales que aparecen y desaparecen en intervalos cortos de tiempo, las partículas virtuales no cumplen $E=\sqrt{m^2c^4+c^2p^2}$. Es por esto que a estas partículas se les llama "virtuales" o "off-shell". En cambio las partículas reales sí cumplen $E=\sqrt{m^2c^4+c^2p^2}$ y es por esto que se les llama partículas "on-shell".

[Pola]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

Gracias por las respuestas.

Perdonar si soy pesado, pero me gustaría poder entender las cosas.

Igual mi pregunta no tiene una respuesta en términos de "si" o "no". Pero la duda que tengo es ¿las partículas virtuales / anti materia tienen energía? Por las fórmulas que ponéis no me queda claro.

Si no la tienen, entiendo que no se pueda observar. Pero si la tienen, debería poderse medir, ¿no? (He mirado en Wikipedia el asunto de las partículas "on shell! y "off shell" pero no he entendido nada)

[Weip]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

Hola de nuevo.

Igual mi pregunta no tiene una respuesta en términos de "si" o "no". Pero la duda que tengo es ¿las partículas virtuales / anti materia tienen energía? Por las fórmulas que ponéis no me queda claro.

Las partículas virtuales tienen energía, sí. Lo que pasa es que esta energía no viene dada por la fórmula de la energía de las partículas on-shell. Una partícula on-shell sí cumple $E=\sqrt{m^2c^4+c^2p^2}$. Al final es cuestión de nombres: las partículas virtuales no cumplen esta relación y las on-shell (las partículas normales y corrientes, para entendernos) sí.

Por cierto, me parece un poco raro que hables de partículas virtuales/antimateria. Una partícula virtual puede ser de materia o de antimateria. Lo digo por si acaso.

Pero si la tienen, debería poderse medir, ¿no?

No porque antes de que la puedas medir las partículas deben desaparecer por lo que explicaba Alriga y carroza en el link del segundo mensaje de este hilo.

Fíjate que es difícil hacerse una imagen correcta de todo esto y en cuanto hilamos fino enseguida surgen cosas que no acaban de cuadrar. Es por eso que en mi primera intervención te dije que no me gustaba demasiado esta forma de verlo. Según creo, todo este tema de las partículas virtuales es algo técnico con un mal nombre que no tiene una interpretación fácil y es resultado de la teoría perturbativa, que no deja de ser una aproximación.

[Pola]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

Gracias, Weip.

La verdad es que hay muchas cosas que me sorprenden en éste asunto y que sigo sin entender.

Si entiendo bien la situación, el resumen final es que en el vacío hay fluctuaciones del campo que tienen energía pero que no se puede medir. No sé qué pensáis los entendidos, pero a mi resulta tremendamente chocante.

Primero porque como todos sabemos, para que una conjetura o teoría pueda ser considerada dentro del ámbito de la ciencia, debe cumplir con dos requisitos: estar libre de contradicciones internas y ser explicativa y predictiva de la realidad. Es decir, que debe ser falsable.

Si hay energía y no se puede medir, a mi entender no cumple el segundo requisito.
Tenemos por ahí una energía que ni se ve ni se siente ni se padece: como si no existiera. ¿¿??

Por otro lado - y esto ya no tiene importancia - es que no lo entiendo. Hay un campo. Ese campo fluctúa: hay puntos donde su valor es distinto de cero. Pero durante un tiempo tan pequeño que no se puede medir.

Lo entendería si hablamos de una sola partícula. Pero en 10 metros cúbicos de espacio vacío debe haber cientos de miles de millones de partículas. En algunas de ellas el valor del campo en un instante cualquiera será cero, pero en otras no. Con éste razonamiento, no comprendo por qué no es medible. Igual es un razonamiento equivocado, y os agradecería que me dijerais en qué.

Gracias y un saludo

[carroza]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

Si entiendo bien la situación, el resumen final es que en el vacío hay fluctuaciones del campo que tienen energía pero que no se puede medir.

Hola. Las fluctuaciones del vacío sí se pueden medir. El fenómeno más conocido es el efecto Lamb https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Lamb
Si el vacío no fluctuara, entonces los niveles 2s1/2 y 2p1/2 del átomo de hidrógeno tendrían la misma energía. La diferencia de energía se puede medir y sale
[FONT=sans-serif] 4,372×10[/FONT]⁻⁶[FONT=sans-serif] [/FONT]eV . Esta diferencia se debe a las fluctuaciones del vacío, es decir, a los pequeños campos eléctricos y magnéticos que existen siempre, y cuyo comportamiento predice la teoría cuántica de campos.

Así que puedes considerar que un átomo de hidrógeno es un "medidor" de fluctuaciones del vacío.

Saludos

[Pola]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

Pues muchas gracias, Carroza.

No tenía ni idea de ésto. Un saludo

[Visitante]

Re: Fluctuación cuántica del vacío

Hola. 2 efectos mas, medibles, de las fluctuaciones cuánticas del vacio:
- El apantallamiento parcial de una carga por la polarización del vacio en presencia de un campo eléctrico.
- El efecto Casimir. Solo se crean pares virtuales con una cierta longitud de onda Compton (Lc) si 'caben' en
un volumen con una longitud característica (Lv). Es decir, Lc < Lv.
Un saludo.