Las partículas virtuales son, en principio, solo artefactos matemáticos inventados con el propósito de realizar cálculos en la teoría cuántica de campos. No tienen ningún papel en explicar la relatividad, la energía oscura o cualquier otra cosa.
Cabe destacar que las partículas virtuales no son una categoría diferente de partículas . Las interacciones entre partículas se calculan utilizando diagramas de Feynman como este:
Las líneas externas son las partículas que observamos; en este caso, un electrón [matemático] e ^ – [/ matemático] y un positrón [matemático] e ^ + [/ matemático] que viene de la izquierda y un quark [matemático] q [/ matemático], antiquark [matemático] \ bar {q} [/ math] y gluon [math] g [/ math] salen de la derecha. (El eje de tiempo va de izquierda a derecha).
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Las líneas internas son las “partículas virtuales”. En este diagrama particular, la partícula virtual es un fotón [matemático] \ gamma [/ matemático], pero hay muchos otros diagramas posibles para esta interacción (en realidad infinitos), y cada diagrama tiene un conjunto diferente de líneas internas con diferentes tipos de partículas representadas por cada línea. Pero estas partículas virtuales son del mismo tipo que las partículas regulares: fotones, electrones, quarks, etc., y solo se llaman “virtuales” porque en realidad no las observamos.
Para resumir: solo vemos las partículas entrando y saliendo del diagrama. No sabemos qué sucede en el medio, y lo aproximamos usando diagramas de Feynman y el concepto de partículas virtuales. Esto se llama teoría de la perturbación . Las partículas virtuales no tienen otra función que no sea en los cálculos del diagrama de Feynman, y en principio no tienen existencia fuera del marco matemático de la teoría de la perturbación.
Más detalles, en respuesta a los comentarios:
Como dije, las partículas virtuales se inventaron artificialmente para los cálculos de propósito utilizando un esquema de cálculo perturbativo. Si no usa la teoría de la perturbación, entonces no necesita partículas virtuales en absoluto.
Además, como dije, para cada interacción hay infinitas posibilidades de partículas virtuales en la línea interna. Entonces, si existen, todas las posibilidades infinitas deben existir como una vez (en una superposición cuántica).
Dado que usamos partículas virtuales para calcular las interacciones entre partículas, sí, aparecen en cálculos que involucran el núcleo atómico (ya que consta de muchas partículas que interactúan dentro de sí mismas).
Además, para calcular la energía del vacío, planteamos la hipótesis de que las fluctuaciones cuánticas crean al azar pares de partículas virtuales a partir del vacío.
Sin embargo, la cuestión de si las partículas virtuales realmente “existen” es una cuestión de filosofía, no de física. En física, como ya dije, su único papel es en cálculos perturbativos usando diagramas de Feynman, ya sea en átomos, en vacío o en cualquier otro lugar.
Muchos físicos piensan que el concepto de partículas virtuales debería evitarse por completo, ya que es engañoso y confuso, para el público en general y también para los estudiantes de física. En lo que respecta a los físicos, las partículas virtuales no se pueden observar y, por lo tanto, no existen “verdaderamente”. Por eso se llaman “virtuales”.
Realmente no entiendo por qué piensas que los átomos son “relevantes” para la relatividad. La relatividad es una teoría de la materia y el espacio-tiempo; Consiste en varios axiomas y ecuaciones simples. Existe incluso en un universo sin átomos. Es cierto que los átomos se ven afectados por los efectos relativistas, pero eso también es cierto para cualquier otra cosa en el universo.
Además, no sabemos realmente qué es la energía oscura. Un modelo hipotético es que la energía oscura es solo energía de vacío, pero la cantidad de energía de vacío calculada por la física de partículas es mucho mayor que la cantidad observada de energía oscura, por lo que este modelo no es muy bueno.
Es cierto que utilizamos partículas virtuales cuando calculamos la energía del vacío, pero incluso si la energía oscura es, al menos en parte, equivalente a la energía del vacío, eso no significa que las partículas virtuales sean “relevantes” para la energía oscura. Son una herramienta de cálculo y, en teoría, también podríamos calcular la energía del vacío sin utilizar partículas virtuales (es decir, sin perturbaciones).