Partículas Virtuales II

Este post es la continuación de “Partículas Virtuales I”

En el marco de la teoría cuántica el vacio no existe, es más bien algo complicado. Según el principio de indeterminación de Werner Heisenberg, la energía de una partícula sólo puede medirse con gran precisión si se dispone de mucho tiempo o si queremos medir la cantidad de movimiento de una partícula con gran precisión necesitamos disponer de una gran cantidad de espacio.

Estas ecuaciones significan que si queremos observar la estructura de una partícula a distancias atómicas no nos es posible determinar con gran precisión su cantidad de movimiento o su energía. El principio de indeterminación nos dice que el mundo submicroscópico de la mecánica cuántica es significativamente diferente del mundo ordinario que conocemos. El sentido común o mejor dicho, nuestro sentido común adquirido en nuestro mundo macroscópico no es aplicable al mundo submicroscópico. El conocimiento de la realidad de nuestro mundo clásico se basa en conocer las cosas como coches, pelotas, pantallas de ordenador, casas, etc. En el mundo cuántico de los electrones y los núcleos atómicos los objetos no son siempre lo que parecen. Existe cierta cantidad de imprecisión o incerteza, la realidad cuántica es confusa.

En otro post ya ampliare los detalles de este principio de indeterminación formulado en 1927 por Werner Heisenber, ahora solo nos interesa su aplicacion para entender el vacio cuántico.

Aplicamos la relación de Einstein entre masa y energia

al principio de indeterminación, puesto que no hay incertidumbre en la medición de la velocidad de la luz en el vacío, en el fondo la velocidad de la luz es una constante absoluta. Cualquier indeterminación en la medida de la velocidad tiene que ser consecuencia de la indeterminación en la medida de la masa, entonces

combinando esta expresión con el principio de Heisenber obtenemos una nueva indeterminación entre la masa y el tiempo.

Este resultado es asombroso, nos dice que durante un pequeño intervalo Dt de tiempo, no podemos estar seguros de cuanta cantidad de materia existe dentro de un espacio subatómico, aunque sea el espacio vacío. Durante este breve instante de tiempo la materia puede aparecer espontáneamente y luego desaparecer, siempre que la relación entre la masa y el tiempo cumplan la condición anterior. Así es la realidad cuántica, nada que ver con nuestro sentido común.

Por supuesto se tienen que cumplir algunas condiciones extras, como la conservación de la carga eléctrica. Según esto, un partícula por si sola no puede aparecer de la nada, tiene que hacerlo acompañada de una partícula idéntica pero con carga opuesta, esto es la antipartícula. Así pues, definitivamente podemos decir que en el mundo cuántico una cantidad igual de materia y antimateria pueden aparecer de la nada para desaparecer instantáneamente.

parejas virtuales electrón-positrón

Por ejemplo, un electrón (e^-) tiene carga negativa y su antipartícula, el positrón (e⁺) lleva carga positiva y la misma masa. Puesto que las partículas y las antipartículas aparecen en conjunto, a pares, la cantidad total de carga eléctrica del universo permanece constante. El proceso espontaneo de creación de una pareja electrón-positrón dura un tiempo increíblemente corto. Calculémoslo, la masa del electrón es de 9.11·10^-31 kg

Así pues, una pareja electrón-positrón puede aparecer y desaparecer espontáneamente sin violar ninguna ley física, siempre que su existencia dure menos de 3,22·10^-22 s. Para partículas con mayor masa el tiempo será menor. Por ejemplo, el protón tiene aproximadamente 2000 veces más masa que el electrón, las parejas protón-antiprotón pueden aparecer de la nada siempre que desaparezcan en un tiempo 2000 veces menor que el anterior calculado para la pareja electrón-positrón.

Aunque le parezca increíble, esto está sucediendo ahora mismo en el espacio situado entre sus ojos y la pantalla del ordenador, en definitiva en cualquier lugar del universo. Parejas de partículas y antipartículas están siendo constantemente creándose y destruyéndose en cualquier parte de nuestro universo. Pero no podemos observarlas directamente sin alterar el principio de indeterminación de Heisenberg, por este motivo se las denomina partículas virtuales.

Las partículas virtuales no pueden observarse directamente, pero podemos observar sus efectos. Imagine un electrón orbitando (por decirlo de alguna manera) un núcleo atómico, como el átomo de hidrógeno. La aparición y desaparición constante de las parejas partícula-antipartícula crean minúsculos campos electromagnéticos que sacuden ligeramente al electrón en su órbita. Estas pequeñas sacudidas producen ligeros cambios en las energías de las órbitas electrónicas y aparecerán pequeños desplazamientos en las líneas espectrales del átomo de hidrogeno.

Este desplazamiento fue detectado en 1947 por Willis Lamb y R.C. Retherford y se conoce como el desplazamiento Lamb, que viene a corroborar que el espacio vacío no está vacío, está lleno de partículas virtuales. A esto se le denomina el vacio cuántico y sus consecuencias pueden llegar a ser asombrosas. Lo cuento en un próximo post.