Divulgación Fluctuaciones cuanticas del vacio

[C1945]

Hola a todos:

¿Que pasa que no se ven en el Foro las ardorosas discusiones de años anteriores?
¿O es que la partícula de Dios no se encuentra?
¿O es que ahora el espacio no se curva sino que se torsiona?
¿O es que los cosmólogos seleccionan los sets de datos que mejor justifican sus teorías?

Voy a intentar exitar los intelectos:

Los físicos dicen que en el vacío se producen fluctuaciones cuanticas y esto implica que expontáneamente se producen pares de partículas virtuales ${e}^{+}$ y ${e}^{-}$ (electrónes y positrones), (materia y antimateria), que en un tiempo suficientemente corto para que las ley de conservación de la energía se respete, se aniquilan mutuamente. El resultado final es que el vacío sigue vacío.

Si el par de partículas se origina en el horizonte de sucesos de un agujero negro, con alguna probabilidad, una de las partículas entra al agujero negro y la otra se aleja, en este caso las partículas ya no son virtuales sino reales y esto dá origen a la radiación de Hawking.

Por otra parte la aniquilación electrón positrón que también debe satisfacer la ley de conservación de la energía se describe como: ${e^+} +{e^-}=\gamma +\gamma$.
Esto dice que la energía del par de partículas se transforma en la energía del par de rayo gamma.

Volviendo al principio el par de partículas generada expontáneamente en el vacío, al aniquilarse mutuamente ¿no debieran generar un par de rayos gamma?

De ser esto correcto tendríamos que el vacío irradia energía.

Seguramente no es correcto ya que no se observa que el vacío irradie energía pero cual es la diferencia entre la aniquilación electrón positron en un caso y en el otro.

¿Quien me lo explica?

[LeoDamLop]

Re: Fluctuaciones cuanticas del vacio

Los físicos dicen que en el vacío se producen fluctuaciones cuanticas y esto implica que expontáneamente se producen pares de partículas virtuales...

Si el par de partículas se origina en el horizonte de sucesos de un agujero negro, con alguna probabilidad, una de las partículas entra al agujero negro y la otra se aleja, en este caso las partículas ya no son virtuales sino reales y esto dá origen a la radiación de Hawking....

Volviendo al principio el par de partículas generada expontáneamente en el vacío, al aniquilarse mutuamente ¿no debieran generar un par de rayos gamma?

¿Quien me lo explica?

Ya te lo respondiste.
Particulas virtuales VS particulas reales.

[C1945]

Re: Fluctuaciones cuanticas del vacio

Estimado LeoDamLop:

Me gustaría que desarrolles la respuesta.

[guifer]

Re: Fluctuaciones cuanticas del vacio

Estoy de acuerdo que hay poco debate, y en el foro pasan semanas sin que haya intervenciones. Tal vez el silencio de la "inteligencia artificial" (dicho esto con afecto) POD sea la causa

[pod]

Re: Fluctuaciones cuanticas del vacio

Los físicos dicen que en el vacío se producen fluctuaciones cuanticas y esto implica que expontáneamente se producen pares de partículas virtuales ${e}^{+}$ y ${e}^{-}$ (electrónes y positrones), (materia y antimateria), que en un tiempo suficientemente corto para que las ley de conservación de la energía se respete, se aniquilan mutuamente. El resultado final es que el vacío sigue vacío.

Si el par de partículas se origina en el horizonte de sucesos de un agujero negro, con alguna probabilidad, una de las partículas entra al agujero negro y la otra se aleja, en este caso las partículas ya no son virtuales sino reales y esto dá origen a la radiación de Hawking.

Por otra parte la aniquilación electrón positrón que también debe satisfacer la ley de conservación de la energía se describe como: ${e^+} +{e^-}=\gamma +\gamma$.
Esto dice que la energía del par de partículas se transforma en la energía del par de rayo gamma.

Volviendo al principio el par de partículas generada expontáneamente en el vacío, al aniquilarse mutuamente ¿no debieran generar un par de rayos gamma?

De ser esto correcto tendríamos que el vacío irradia energía.

Seguramente no es correcto ya que no se observa que el vacío irradie energía pero cual es la diferencia entre la aniquilación electrón positron en un caso y en el otro.

¿Quien me lo explica?

Es una buena pregunta. Se puede responder a varios niveles.

En el nivel más general, lo que tenemos que pensar es que, a largo plazo, la energía total se debe conservar. Si al principio no había nada, al final tampoco debe haberlo. No es imposible que el par de electrón-positrón interaccionen para dar dos fotones (también llamadas "partículas gamma"), pero por la conservación final de la energía ese par de fotones también deberán acabar aniquilándose entre si (Nota: en realidad, por detalles del lagangiano de QED, dos fotones no pueden aniquilarse entre si, sino que tendrían que crear un nuevo par de electrón-positrón que si se aniquilen; no obstante, un proceso de vacío con tantos vértices intermedio es bastante improbable; así que lo más probable será que se produzca la aniquilación directa).

Con mayor nivel de detalle, esta es una de esas simplificaciones que solemos utilizar para divulgar, pero en realidad la conservación de la energía no se viola en ningún momento. Si antes de la creación del par la energía total era cero (porque estamos en el vacío), mientras el par existe también debe sumar cero. Por lo tanto, del par electrón-positrón uno de los dos tienen que tener energía positiva y el otro negativa. Normalmente, una partícula con energía negativa no tiene mucho sentido, pero durante un instante de tiempo muy pequeño eso no es problema. Por lo tanto, cuando se aniquilan, la energía negativa y la positiva se compensan y no es necesario crear nuevas partículas para que se lleven un posible exceso de energia.

[C1945]

Re: Fluctuaciones cuanticas del vacio

Estimado POD:

Me alegro de leerte.

Tu explicación me genera algunas dudas más:

1) Si el par de partículas generadas en la fluctuación cuántica del vacío son un electrón y un positrón, uno con energía positiva y el otro con energía negativa, OK la conservación de la energía no se altera pero como funciona el tema en el horizonte de sucesos del agujero negro.
Podemos pensar que aleatoriamente un 50 % de las partículas absorbidas por el agujero negro son de energía positiva y el otro 50 % son de energía negativa con lo cual finalmente nada es absorbido. Lo mismo pasa con las partículas que se alejan del agujero negro, finalmente nada es irradiado.

2) Si el par de partículas son de energía positiva, una es absorbida por el agujero negro y la otra se aleja con lo cual el agujero negro irradia. Pero la partícula absorbida aumenta la masa del agujero negro con lo cual este debería crecer con el tiempo en lugar de tender a evaporarse.

3) ¿Como describes un electrón o un positrón de energía negativa?

Convengo en que mis dudas se originan en esas simplificaciones que los físicos suelen usar para divulgar. Me gustaría que aclararas este tema sin simplificaciones aunque sea arduo.

Gracias.

[pod]

Re: Fluctuaciones cuanticas del vacio

1) Si el par de partículas generadas en la fluctuación cuántica del vacío son un electrón y un positrón, uno con energía positiva y el otro con energía negativa, OK la conservación de la energía no se altera pero como funciona el tema en el horizonte de sucesos del agujero negro.
Podemos pensar que aleatoriamente un 50 % de las partículas absorbidas por el agujero negro son de energía positiva y el otro 50 % son de energía negativa con lo cual finalmente nada es absorbido. Lo mismo pasa con las partículas que se alejan del agujero negro, finalmente nada es irradiado.

En mecánica cuántica tenemos el tema de las "muchas historias" o "suma de caminos". Espero que conozcas el experimento de la doble rendija de Young, y el entrelazamiento y el colapso de la función de onda. Porque vamos a utilizar estos conceptos de forma extensiva. Si no eres familiar (muy familiar) con ello, no sigas leyendo. Primero entiende ese experimento y después vuelve a este post.

Básicamente, nosotros tenemos algunas mediciones. Por ejemplo, del antes y del después de una interacción entre partículas. Sabemos cosas sobre las partículas que entran en una interacción (su momento, su energía, su tipo, etc.). Y también sabemos cosas de las partículas que salen de la interacción (diferentes momentos, diferentes energías, e incluso diferentes tipos).

Pero no sabemos absolutamente nada de lo que pasa en medio. Una misma interacción puede llevarse a cabo de muchas formas posibles. Pero si no hemos hecho ninguna observación durante la interacción, ¿cómo sabemos qué mecanismo de los muchos posibles ha sido el verdadero? Pues no podemos.

Clásicamente pensaríamos que de todos los mecanismos posibles, sólo uno ha acaecido. Pero cuánticamente no es así. Hay que tener en cuenta todos los mecanismos posibles. A la práctica, eso significa que uno hace el cálculo para cada mecanismo, y luego lo junta todo en un único resultado.

Tenemos un montón de términos procedentes de cada posible manera en que la interacción ha podido ocurrir. Estos términos a veces pueden producir "interferencias" entre si. Esto es lo que pasa en el experimento de la doble rendija de Young, tenemos dos caminos posibles que, al sumarse, dan interferencias.

Volviendo al tema de la fluctuación de vacío, resulta que es un tipo de interacción especial donde no existe ninguna partícula "antes" ni ninguna "después". Por lo tanto, no tenemos acceso a ninguna información sobre las partículas que intervienen en la interacción.

Por ejemplo, no sabemos qué energía ni qué momento tienen dichas partículas. En el cálculo, tenemos que tener en cuenta todas las posibilidades. Es decir, tendremos un montón de términos en que la energía del positrón será positiva y la del electron negativa, y viceversa.

Otra forma de verlo es pensar en que las partículas viven en un estado superposición y entrelazado.

Luego, si da la casualidad que una de las partículas cae en el horizonte de sucesos y la otra no, lo dicho seguirá siendo verdad. Tendremos multitud de términos donde la que cae es positiva y la que sale negativa, y otros tantos que al revés.

No obstante, esta ambigüedad de estados desaparece cuando la partícula que escapa se aleja del agujero negro. Al ser observada, automáticamente de todos los valores posibles de la energía sólo puede sobrevivir uno (colapso del estado, o de la función de onda si quieres). Ahora bien, una medida sobre una partícula jamás puede arrojar un valor de energía negativo, eso no tiene sentido físico. Por lo tanto, la partícula que está fuera siempre colapsará a un estado de energía positiva.

Ahora bien, por conservación de la energía, el estado de la partícula que cayó debe ser de energía negativa. Esto no es un problema, ya que dentro del agujero negro dicha partícula no es observable, nunca podremos ir a observarla y ver una energía negativa.

Por lo tanto, no es que la partícula que caiga siempre sea la negativa "por casualidad", o que haya el mismo porcentaje de probabilidad que caiga una o la otra. Es que, al convertirse en real, la partícula que escapa siempre tiene que seleccionar una de las opciones físicamente aceptables.

Por supuesto, esto que he contado es una simplificación, como siempre. Si lo lee algún experto en la materia probablemente se tire de los pelos (y tiene mi invitación para proporcionar una explicación mejor).

2) Si el par de partículas son de energía positiva, una es absorbida por el agujero negro y la otra se aleja con lo cual el agujero negro irradia. Pero la partícula absorbida aumenta la masa del agujero negro con lo cual este debería crecer con el tiempo en lugar de tender a evaporarse.

No es posible que de la nada surjan dos partículas con el mismo signo de energía.

3) ¿Como describes un electrón o un positrón de energía negativa?

Pues igual que un electrón o positrón normal, sólo que la energía tiene un valor negativo.

Convengo en que mis dudas se originan en esas simplificaciones que los físicos suelen usar para divulgar. Me gustaría que aclararas este tema sin simplificaciones aunque sea arduo.

Si no quieres simplificaciones, vas a tener que hacer la carrera. O, al menos, buscar a algún divulgador más hábil que tu humilde servidor, que desde luego no está capacitado para transmitir todos los contenidos físicos y matemáticos necesarios para hacerlo "sin simplificaciones".