Antes de responder a esa pregunta, permítame dar un paso atrás y hacer la pregunta retórica: ¿Qué diablos son las “partículas” de todos modos? ¿Especialmente en el contexto de la teoría, la teoría del campo cuántico para ser precisos, que surgió con la idea de partículas “virtuales”?
Sí, teoría del campo cuántico. Es, bueno, una teoría de campos cuantizados (d’oh). Qué significa eso? Tome el electromagnetismo, por ejemplo. El electromagnetismo clásico es la teoría del campo electromagnético de Maxwell. Su versión cuantificada es más o menos lo mismo, pero con algunas diferencias cruciales. Si toma el campo y lo transforma en Fourier (es decir, escríbalo como una suma de soluciones de “onda sinusoidal pura”), encontrará que en la versión cuantificada, las “excitaciones” (estados de mayor energía) en cualquier frecuencia dada entran Establecer unidades. Entonces, si tuviera un campo electromagnético correspondiente, por ejemplo, a una señal de microondas pura de 1 GHz, descubriría que la energía del campo será un múltiplo entero de una unidad básica. Esa unidad básica, el campo cuántico, es por supuesto lo que llamamos el fotón.
Entonces, el fotón no es realmente una partícula en el sentido en que la mayoría de nosotros imaginaría una partícula. Es un nombre que atribuimos a las excitaciones unitarias de la versión cuantificada del campo electromagnético Maxwell único y siempre presente.
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¿Por qué nos molestamos con esta tontería de la teoría de campo? ¿Qué tiene de malo una teoría de partículas? Dos cosas: relatividad (causalidad) e interacciones. La ecuación de Schrödinger no es relativista. Incluso las ecuaciones de partículas cuánticas relativistas, como la ecuación de Dirac para el electrón, pueden violar la causalidad. Y ninguno puede explicar la creación y destrucción de partículas elementales, como cuando el electrón emite o absorbe un fotón. En contraste, la teoría cuántica de campos es relativista por diseño; explica las interacciones con facilidad; y casi mágicamente funciona cuando se trata de causalidad. Por lo tanto, esto, sin mencionar el hecho de que el modelo estándar enormemente exitoso de la física de partículas es, de hecho, una teoría de campo cuántico, nos da la confianza de que la teoría de campo cuántico, al menos al nivel de energías accesibles para nosotros, es la mejor descripción de naturaleza, mucho más apropiado que cualquier teoría de partículas.
Bien, ahora creo que puedo responder a tu pregunta. Como dije, una “partícula” es solo el nombre que le asignamos a una unidad de excitación a un campo cuántico. (Ese campo puede ser el campo electromagnético, el campo electrónico, un campo de quark, etc.) Debido a que los campos interactúan, las excitaciones pueden ser de corta duración. También pueden persistir durante mucho tiempo sin interacción. Cuanto más tiempo exista una excitación, es menos probable que viole la ecuación clásica [matemática] E ^ 2 = (mc ^ 2) ^ 2 + (pc) ^ 2 [/ matemática]. Cuando una excitación obedece a esta relación, se dice que está en la capa (de la masa). De lo contrario, está desactivado (la masa) -shell. Las excitaciones en la carcasa se denominan partículas “reales”; Las excitaciones fuera de la carcasa se llaman partículas virtuales.
Cuando escribimos las ecuaciones de una interacción específica, generalmente (a menudo con la ayuda de los diagramas de Feynman) pretendemos que algunas excitaciones vienen desde el infinito. Otras excitaciones son “internas” a la interacción y viven solo por un corto período de tiempo. Por ejemplo, podemos escribir una interacción que involucra dos electrones (es decir, dos excitaciones del campo electrónico) que se dispersan intercambiando una excitación del campo electromagnético, es decir, un “fotón virtual”, como en este diagrama :
Se supone que las cuatro líneas correspondientes a los electrones entrantes y salientes en este diagrama son electrones “reales” en la carcasa; la línea ondulada interna que representa los fotones intercambiados puede estar fuera de caparazón, por lo tanto, “virtual”.
(También debería apresurarme a agregar que aunque este diagrama sugiere mucho la existencia de partículas, ese no es el caso. Este diagrama, de hecho, corresponde al primer término en una aproximación, una “expansión en serie” de un expresión integral que describe la interacción entre dos excitaciones unitarias del campo electrónico cuantificado, mediado por el campo electromagnético cuantificado).
¿Este diagrama o mi explicación implican, de alguna manera, que el fotón virtual es menos real que los electrones “reales”? Espero que no. Es una entidad muy real que transporta energía y momento y momento angular entre los dos electrones. Es una excitación genuina y tangible del campo electromagnético cuantificado de Maxwell. Lo que no es, bueno, no es un fotón libre; no es detectable en el sentido de que nunca tiene la oportunidad de escapar de este diagrama e interactuar con un instrumento. Y debido a que es de corta duración, puede estar fuera de la caparazón de masas. Eso (y solo eso) es el significado de que sea “virtual”.
