¿Qué es una fluctuación de vacío?

Según la mecánica cuántica, el vacío no es el espacio vacío que se consideraba en la física clásica. En la teoría del campo cuántico, se considera que todas las partículas elementales son excitaciones unitarias de sus campos subyacentes. Estos campos impregnan el universo. Por lo tanto, en QFT, el vacío no está totalmente vacío, sino que está permeado por campos elementales, y es básicamente el estado de energía más bajo en el que existen estos campos.

Al resolver la ecuación de Hamiltoniano para un oscilador armónico, se puede descubrir que la energía más baja que puede poseer un oscilador armónico no es cero, sino que puede poseer una energía de punto cero. El vacío a posee una energía de punto cero.

De la ecuación energía-tiempo para el principio de incertidumbre de Heisenberg, nos damos cuenta de que la energía que posee una partícula no es constante, sino que puede variar con el tiempo. Una partícula puede tomar prestada algo de energía del vacío circundante, siempre que reembolse la energía después de un tiempo.

Dado que el vacío está lleno de campos de partículas elementales, y debido a la variación del tiempo de energía del HUP, es posible que el campo de una partícula elemental posea suficiente energía, para producir un par de partículas antipartículas, siempre que aniquilar después de un tiempo. Esta aparición temporal de un par de partículas-antipartículas de un vacío aparentemente vacío es lo que se conoce como fluctuaciones de vacío cuántico.

La imagen muestra la simulación de la fluctuación del par quark-antiquark en una unidad de volumen de vacío, calculada con QFT.

La fluctuación de vacío es la aparición temporal de partículas energéticas de la nada; también se conoce como fluctuación cuántica. La mayoría de nosotros puede sentir que algo no puede venir de la nada, como en:

Nada viene de la nada, nada podría … de la canción “Something Good” – Sound of Music, 1965

pero los físicos no están de acuerdo y citan fluctuaciones cuánticas de vacío o partículas virtuales. Estos son pares de partículas antipartículas que surgen en un espacio vacío, literalmente de la nada, durante breves períodos de tiempo antes de aniquilarse entre sí. Esto significa que el “espacio” nunca está absolutamente vacío, siempre está lleno de partículas virtuales.

Las partículas virtuales se ven obligadas a existir por períodos muy cortos porque representan un aumento en la energía del universo, y esto viola la primera ley de la termodinámica. (la energía total de un sistema aislado es constante; la energía se puede transformar de una forma a otra, pero no se puede crear ni destruir). Algunos físicos incluso creen que todo el universo podría ser una fluctuación de vacío cuántica masiva. Para algunas partículas, la antipartícula y la partícula son las mismas, por ejemplo, la antipartícula de un fotón es un fotón.

La fluctuación del vacío también generó mucho debate. Por ejemplo, si el Big Bang produjo cantidades iguales de materia y antimateria, y dado que los dos se aniquilan entre sí por contacto, esto debería haber llevado a un universo sin partículas, lleno solo de radiación. Este problema puede resolverse si existe algún proceso que favorezca la materia sobre la antimateria, lo que lleva al exceso que vemos hoy, incluso si era una parte en mil millones.

Stephen Hawking elaboró ​​el modelo teórico de cómo un agujero negro podría emitir radiación de cuerpo negro. Predijo que las fluctuaciones del vacío causan la generación de pares de partículas virtuales antipartículas de partículas virtuales cerca del horizonte de eventos de un agujero negro. Una de las partículas cae en el agujero negro mientras que la otra escapa antes de que tengan la oportunidad de aniquilarse entre sí. El resultado neto es que, para alguien que ve el agujero negro, parecería que se ha emitido una partícula. Dado que la partícula que se emite tiene energía positiva, la partícula que es absorbida por el agujero negro tiene una energía negativa en relación con el universo exterior. Esto da como resultado que el agujero negro pierda energía y, por lo tanto, también masa. (porque E = mc²).

Algunos físicos creen que todo el universo podría ser una fluctuación de vacío cuántica masiva . Un artículo apareció en el NUEVO CIENTÍFICO en 2008 según el cual las cosas sustanciales que conocemos como “materia” en realidad no son más que fluctuaciones en el vacío cuántico. Puede leer el artículo completo aquí. Está confirmado: la materia es simplemente fluctuaciones de vacío.

Por último, pero no menos importante, me quedo con el grande para el final, la teoría de que las fluctuaciones cuánticas pueden crear una “burbuja” de vacío que puede expandirse a través del espacio y eliminar el universo, ha existido durante un tiempo. Sin embargo, los científicos no creen que pueda suceder pronto. Lo más probable es que tome 10 ^ 100 años para que esto suceda. Por otro lado, puede que ya haya sucedido, y la burbuja podría estar en camino aquí ahora. Y no lo sabrás porque viene a la velocidad de la luz, por lo que no habrá ninguna advertencia.

Miedo, ¿no es así?

¿Qué es una fluctuación de vacío? Hay diferentes tipos de espacio correspondientes a diferentes tipos de objetos. Lo que todos tienen en común es que en todos los casos el espacio es una función de las relaciones entre los objetos. Entonces, por ejemplo, hay espacios lógicos que definen las relaciones de los objetos lógicos y espacios físicos que definen las relaciones de los objetos físicos. Cuando en la muerte de entropía de este universo físico todos los objetos físicos desaparecen, el espacio físico también lo hará, colapsando en el espacio lógico de QM de donde surgió. La relación entre el espacio QM subyacente y el espacio físico estaba implicada por Max Born, quien dijo que QM no se basaba en la probabilidad de localizar una partícula, sino que la partícula era una función de probabilidad, es decir, lógica. El vacío, también conocido como fluctuaciones cuánticas, por lo tanto, solo puede entenderse lógicamente. Aquí parece que estamos en un punto muerto porque la lógica no fluctúa … ¿o sí? Esto es similar al impasse que Einstein enfrentó cuando Michelson y Morely mostraron que la velocidad de la luz era constante, independientemente de la velocidad orbital aditiva o sustractiva de la Tierra. Del mismo modo, para que QM fluctúe, la lógica debe, contra todas sus ideas preconcebidas, fluctuar. Esto puede explicarse en base al hecho de que la lógica surge de la posibilidad y la posibilidad tiene infinitas posibilidades, entre las cuales está la posibilidad de cambio, es decir, fluctuación.

En la mecánica cuántica, todas las cosas que podemos medir (no solo en la práctica sino incluso en teoría) en lugar de algunos valores numéricos determinados están representados por operadores, y los resultados de las mediciones son siempre números aleatorios, la mecánica cuántica describe las distribuciones de probabilidad para estos números. En la teoría de campo cuántico, el estado del sistema se describe mediante un vector en el espacio abstracto llamado espacio Fock, donde cada vector es una combinación (superposición) de algunos vectores básicos, y cada vector base en este espacio está indexado por el número de cuantos de cada tipo. El estado de vacío es un estado base especial <0,0,0 ... 0> que dice “este es el estado donde hay 0 partículas aquí, 0 partículas aquí, 0 partículas aquí …”, por lo que es un estado sin partículas. Sin embargo, si pregunta “si medimos alguna propiedad de partículas, como el momento, ¿qué podemos detectar aquí?” Para calcular el resultado que alimenta este estado de vacío al operador correspondiente (momento u otro) y obtiene una distribución de probabilidad de posibles resultados de medición. ¡La parte interesante es que esta distribución tiene un valor promedio cero (sin partículas) pero una dispersión distinta de cero, lo que significa que la probabilidad de medir algo distinto de cero en el vacío no es cero! Incluso en vacío puro, tiene posibilidades distintas de cero de detectar partículas diferentes. Esta es una consecuencia matemática directa de la forma en que se configura toda la teoría.

Como sostienen las otras respuestas, una fluctuación de vacío es la aparición transitoria de partículas (o excitaciones de campos) como resultado de (a) El Principio de Incertidumbre, (b) varias matemáticas de operador, o (c) algo para hacer la energía del punto cero de trabajo al vacío. Es importante tener en cuenta que tales partículas virtuales no pueden detectarse directamente, por proposición, sino que solo pueden argumentarse por teoría o por efectos indirectos. En mi opinión, si postulas algo por teoría, y si alguna predicción se demuestra que no es cierta, la teoría se falsifica como está escrita.

En este caso, desde la relatividad, tales fluctuaciones tienen energía y, por lo tanto, hay respuestas correspondientes a la gravedad. Al integrar la energía de vacío propuesta sobre el espacio en el Universo, podemos calcular el efecto sobre la constante cosmológica, que en la Relatividad General determina la tasa de expansión del Universo, y cuando eso se hizo, la predicción es incorrecta por un factor de 10 ^ 120. Uno puede escabullirse y reducir el tamaño del exponente, pero siempre permanece horriblemente grande. En mi opinión, esto falsifica la teoría de la energía del vacío tal como está escrita, o la relatividad de Einstein. Considero que la relatividad de Einstein se ha probado lo suficiente como para que solo haya una opción.

Me temo que mi respuesta probablemente generará más preguntas que respuestas, pero … Las fluctuaciones de vacío cuántico son bucles cerrados de partículas virtuales. Son diagramas de Feynman sin estados de entrada o salida.

O, aquí hay un par de positrones de electrones creado con un fotón y luego todos aniquilando:

La energía de vacío es una energía de fondo subyacente que existe en el espacio en todo el Universo. Una contribución a la energía del vacío puede ser de partículas virtuales que se cree que son pares de partículas que parpadean y luego se aniquilan en un intervalo de tiempo demasiado corto para observar. Se espera que hagan esto en todas partes, en todo el Universo. Su comportamiento está codificado en el principio de incertidumbre energía-tiempo de Heisenberg. Aún así, el efecto exacto de esos fragmentos fugaces de energía es difícil de cuantificar.

Este concepto de fluctuación cuántica se refiere principalmente a la era del vacío del comienzo del universo, donde estas fluctuaciones consideraban la base para formar la estructura del universo. Esto ocurre cuando la mecánica cuántica juega el papel principal en la construcción de dicha estructura. de oscilaciones, ahora la teoría de cuerdas habla de oscilaciones muy pequeñas de primavera (¡1 resorte de aproximadamente 10 ^ -33 cm!).

En física cuántica, una fluctuación cuántica (o fluctuación cuántica de vacío o fluctuación de vacío ) es el cambio temporal en la cantidad de energía en un punto en el espacio, como se explica en el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg.

Nunca puedes tener un espacio con la nada real. Las partículas elementales aparecen y desaparecen de la nada. Se dice que la mayor parte de la masa del universo existe en estos espacios vacíos.

Lea el libro de Lawrence Krauss: Un universo de la nada. ¡Va a sorprenderte por completo!

También debe haber videos basados ​​en este libro en línea.