¿Qué es el fotón virtual?

Un fotón virtual, más básicamente, es un fotón creado a partir de energía e impulso “prestados”, debido al Principio de incertidumbre de Heisenberg. ∆E∆t ≤ h / 4π (el reverso de cómo se usa para partículas reales) dice que cuanta más energía tomes prestada, más corto será el tiempo antes de que desaparezca. Eso significa que cerca de una carga eléctrica, se crean fotones de alta energía y se desplazan a poca distancia antes de desaparecer. Los fotones virtuales con un poco menos de energía van un poco más lejos, y así sucesivamente. Aparentemente, si haces los cálculos, ¡esto resulta en la ley del cuadrado inverso para el electromagnetismo! Se cree que la fuerza eléctrica está “mediada por” (llevada) por fotones virtuales que realmente alcanzan otra carga antes de que desaparezcan; me imagino que, en cierto sentido, la otra carga “paga el préstamo” hecho por la primera carga, con el resultado de que se transfieren energía e impulso: fuerza.

Nunca fui lo suficientemente bueno como para hacer estos cálculos por mí mismo (tardé aproximadamente un mes en la teoría cuántica de campos), ¡pero me parecen interesantes!

Como Robert Cruikshank explicó muy bien, una partícula “virtual” (de cualquier tipo) es una que se crea y luego se destruye nuevamente muy rápidamente. Esto es facilitado (incluso para partículas masivas) por el principio de incertidumbre de Heisenberg, que nos permite “desfalcar el banco de energía”, violando temporalmente la conservación de energía, siempre y cuando “redepositemos” el sobregiro antes de que se note. Otras propiedades conservadas (como carga, número de leptones o momento angular) se aplican de manera más estricta, por lo que no puede crear un electrón virtual sin crear simultáneamente un positrón virtual, y así sucesivamente.

Ahora, por ejemplo, un electrón no puede escupir un solo fotón ” real ” (uno que continúa) sin algún “espectador” para absorber el impulso extra, porque el impulso y la energía deben conservarse por separado; pero puede escupir un fotón virtual , tanto porque el espectador absorbe rápidamente el fotón virtual como porque las partículas virtuales pueden estar “fuera de la capa de masa” (violando la ecuación universal [matemáticas] m ^ 2 c ^ 4 = E ^ 2 – p ^ 2 c ^ 2 [/ math]) temporalmente.

En teorías de campo cuántico como QED (electrodinámica cuántica), todas las interacciones están mediadas por el intercambio de partículas virtuales. Por lo tanto, todas las interacciones electromagnéticas están mediadas por el intercambio de fotones virtuales.

Una nota al margen: dado que los fotones no tienen más interacciones que ser creados y aniquilados, uno puede argumentar que todos los fotones son virtuales si tienen algún efecto en el mundo.

Un fotón virtual, como una partícula virtual, representa una fuente de energía y, por lo tanto, una fuerza. Hemos visto cómo el electrón unido irradia energía EM al campo cercano. Esto es equivalente a una onda evanescente. Tiene energía, pero no deja su fuente. Por lo tanto, no transmite energía hasta que esté presente un absorbente apropiado. Sin embargo, puede incorporar otros cuerpos en su “patrón” de energía. Al hacerlo, busca el nivel más bajo y presenta una ‘fuerza’ para llegar allí (F = -dV / dx). El campo de energía depende de muchas cosas. Sin embargo, el potencial de Yukawa parece ajustarse muy bien al patrón. Proporciona una representación de las fuerzas nucleares de corto alcance por partículas virtuales, masivas, en un extremo y fuerzas de Coulomb de largo alcance (infinito) por fotones virtuales, sin masa, en el otro.

Un buen ejemplo de un fotón virtual, creo, es la repulsión entre electrones. El fotón es el mediador de la fuerza electromagnética. Como los electrones tienen carga negativa, coloque dos de ellos juntos y se repelen. ¿¿Cómo?? Un electrón enviará un fotón al otro, dándole impulso hacia atrás y empujando al otro lejos (como lanzar una pelota muy pesada a alguien). El otro electrón haría lo mismo. Estos fotones son fotones virtuales, como si los interceptaras, entonces la interacción entre los dos electrones no tiene lugar. Por lo tanto, nunca puedes detectar realmente estos fotones. Esto los hace virtuales.

Una partícula subatómica que el principio de incertidumbre de Heisenberg permite que exista durante un corto período de tiempo. Una partícula virtual no es una partícula en absoluto. En general, una partícula es una onda agradable y regular en un campo y también puede viajar sin problemas y sin esfuerzo a través de los espacios. Generalmente, una partícula virtual es una perturbación en un campo que nunca se encontrará por sí sola. La fuerza electromagnética se ve como un intercambio de fotones virtuales. Las partículas virtuales no siempre tienen que tener energía e impulso positivos.