Fluctuación cuántica - Quantum fluctuation

Visualización 3D de fluctuaciones cuánticas del vacío QCD

En la física cuántica , una fluctuación cuántica (o vacío fluctuación estado o fluctuación de vacío ) es el cambio aleatorio temporal en la cantidad de energía en un punto en el espacio , según lo prescrito por Werner Heisenberg 's principio de incertidumbre . Son pequeñas fluctuaciones aleatorias en los valores de los campos que representan partículas elementales, como los campos eléctricos y magnéticos que representan la fuerza electromagnética transportada por los fotones , los campos W y Z que transportan la fuerza débil y los campos de gluones que transportan la fuerza fuerte . Las fluctuaciones de vacío aparecen como partículas virtuales , que siempre se crean en pares partícula-antipartícula. Dado que se crean espontáneamente sin una fuente de energía, se dice que las fluctuaciones del vacío y las partículas virtuales violan la conservación de la energía . Esto es teóricamente permisible porque las partículas se aniquilan entre sí dentro de un límite de tiempo determinado por el principio de incertidumbre, por lo que no son directamente observables. El principio de incertidumbre establece que la incertidumbre en energía y tiempo se puede relacionar por , donde${\ Displaystyle \ Delta E \, \ Delta t \ geq {\ tfrac {1} {2}} \ hbar ~}$1/2ħ ≈5,27286 × 10 ⁻³⁵  Js. Esto significa queen el espacio vacío se crean y aniquilan continuamentepares de partículas virtuales con energíay una vida útil más corta que la. Aunque las partículas no son directamente detectables, los efectos acumulativos de estas partículas se pueden medir. Por ejemplo, sin fluctuaciones cuánticas, lamasay la carga"desnudas"de las partículas elementales serían infinitas; De acuerdo con lateoría de larenormalización, el efecto protector de la nube de partículas virtuales es responsable de la masa finita y la carga de las partículas elementales. Otra consecuencia es elefecto Casimir. Una de las primeras observaciones que fue evidencia de las fluctuaciones del vacío fue eldesplazamiento de Lamben el hidrógeno. En julio de 2020, los científicos informaron que las fluctuaciones cuánticas del vacío pueden influir en el movimiento de objetos macroscópicos a escala humana midiendo las correlaciones por debajo dellímite cuántico estándarentre la incertidumbre de posición / momento de los espejos deLIGOy la incertidumbre de número / fase de fotones de la luz que Reflejan. ${\ Displaystyle \ Delta E}$${\ Displaystyle \ Delta t}$

Fluctuaciones de campo

En la teoría cuántica de campos , los campos experimentan fluctuaciones cuánticas. Se puede hacer una distinción razonablemente clara entre fluctuaciones cuánticas y fluctuaciones térmicas de un campo cuántico (al menos para un campo libre; para los campos que interactúan, la renormalización complica sustancialmente las cosas). Se puede ver una ilustración de esta distinción al considerar los campos cuánticos y clásicos de Klein-Gordon: para el campo de Klein-Gordon cuantificado en el estado de vacío , podemos calcular la densidad de probabilidad de que observaríamos una configuración en un tiempo t en términos de su Transformada de Fourier para ser ${\ Displaystyle {\ Displaystyle \ varphi _ {t} (x)}}$ ${\ Displaystyle {\ Displaystyle {\ tilde {\ varphi}} _ {t} (k)}}$

${\ Displaystyle \ rho _ {0} [\ varphi _ {t}] = \ exp {\ left [- {\ frac {1} {\ hbar}} \ int {\ frac {d ^ {3} k} { (2 \ pi) ^ {3}}} {\ tilde {\ varphi}} _ {t} ^ {*} (k) {\ sqrt {| k | ^ {2} + m ^ {2}}} \ ; {\ tilde {\ varphi}} _ {t} (k) \ right]} ~.}$

Por el contrario, para el campo clásico de Klein-Gordon a una temperatura distinta de cero, la densidad de probabilidad de Gibbs de que observaríamos una configuración a la vez es ${\ Displaystyle {\ Displaystyle \ varphi _ {t} (x)}}$${\ Displaystyle t}$

${\ Displaystyle \ rho _ {E} [\ varphi _ {t}] = \ exp {[-H [\ varphi _ {t}] / k _ {\ mathrm {B}} T]} = \ exp {\ left [- {\ frac {1} {k _ {\ mathrm {B}} T}} \ int {\ frac {d ^ {3} k} {(2 \ pi) ^ {3}}} {\ tilde {\ varphi}} _ {t} ^ {*} (k) {\ scriptstyle {\ frac {1} {2}}} (| k | ^ {2} + m ^ {2}) \; {\ tilde {\ varphi}} _ {t} (k) \ right]} ~.}$

Estas distribuciones de probabilidad ilustran que toda configuración posible del campo es posible, con la amplitud de las fluctuaciones cuánticas controladas por la constante de Planck , al igual que la amplitud de las fluctuaciones térmicas está controlada por , donde k _B es la constante de Boltzmann . Tenga en cuenta que los siguientes tres puntos están estrechamente relacionados: ${\ Displaystyle \ hbar}$${\ Displaystyle k _ {\ mathrm {B}} T}$

1. La constante de Planck tiene unidades de acción (julios-segundos) en lugar de unidades de energía (julios),
2. el núcleo cuántico es en lugar de (el núcleo cuántico no es local desde un punto de vista clásico del núcleo de calor , pero es local en el sentido de que no permite que se transmitan señales),${\ Displaystyle {\ sqrt {| k | ^ {2} + m ^ {2} \,}} \,}$${\ Displaystyle {\ scriptstyle {\ frac {1} {2}}} (| k | ^ {2} + m ^ {2})}$
3. el estado de vacío cuántico es invariante de Lorentz (aunque no manifiestamente en lo anterior), mientras que el estado térmico clásico no lo es (la dinámica clásica es invariante de Lorentz, pero la densidad de probabilidad de Gibbs no es una condición inicial invariante de Lorentz).

Podemos construir un campo aleatorio continuo clásico que tiene la misma densidad de probabilidad que el estado de vacío cuántico, de modo que la principal diferencia con la teoría del campo cuántico es la teoría de la medición (la medición en la teoría cuántica es diferente de la medición de un campo aleatorio continuo clásico, en que las medidas clásicas son siempre compatibles entre sí (en términos de mecánica cuántica siempre conmutan). Los efectos cuánticos que son consecuencia sólo de fluctuaciones cuánticas, no de sutilezas de incompatibilidad de medición, pueden ser alternativamente modelos de campos aleatorios continuos clásicos.

Ver también

• Efecto Casimir
• Fondo de microondas cósmico
• Recocido cuántico
• Espuma cuántica
• Partícula virtual
• Agujero negro virtual
• Interpretación estocástica
• Zitterbewegung

Notas al pie

Referencias