Vacío y partículas virtuales

Acercándonos al LHC

Lo primero que hay que indicar es que entramos en uno terreno tremendamente delicado. Si ya hablar de la “materia común” (la que podemos medir y controlar) implica asumir la existencia de quarks y leptóns, de mecanismos de interacción entre estas partículas mediante campos cuánticos de fuerza, mucho más confuso, borroso e incluso ininteligible es cuando queremos abordar el vacío (desde la perspectiva cuántica), y la existencia de las llamadas “partículas virtuales”.
Estamos en los dominios de la Teoría Cuántica de Campos, y fuera del lenguaje matemático, todos los intentos de expresar con palabras corrientes lo que está sucediendo, y, más aún, con ánimo divulgativo, implica inevitablemente caer en argumentaciones y aproximaciones forzadas, siempre incompletas, y, a veces, incluso erróneas.
Hay físicos que directamente se oponen, por ejemplo, a usar la terminología de “partícula virtual”. Entienden que lo mejor es ser lo más fiel a teoría cuántica de campos y no considerarlas como partículas en absoluto, sino perturbaciones o excitaciones en un campo determinado (como el campo electromagnético o gravitatorio) forzada por la presencia de partículas reales o de otros campos.
Nosotros preferimos seguir el criterio de mantener el término “partícula virtual” porque desde la perspectiva divulgativa presentan más ventajas que inconvenientes, y somos más coherentes con los otros subapartados de este sitio web.
En un campo clásico el estado de vacío no contiene nada, está “inerte” y no presenta ondas ni fluctuaciones. Sin embargo, el estado de vacío en un campo cuántico está continuamente flutuando con excitaciones que aparecen y desaparecen, “las “partículas virtuales”, cumpliendo la relación de incertidumbre de Heisenberg para la energía y la duración del proceso: ΔE·Δt ≥ ℏ. Es decir, a más energía, ΔE, (o masa, Δm) de esas partículas virtuales que aparecen, menos tiempo, Δt, "sobreviven", desapareciendo de inmediato. 

Recreación de flutuacións cuánticas (Tomado de IFLScience)

Por lo tanto, el vacío cuántico no es un lugar en el que no haya nada, solo que las partículas, las flutuacións y la energía que hay son tan pequeñas y efímeras que, por ahora, resulta imposible extraerlas o transformarlas, pero su “existencia” es incuestionable. Son protagonistas imprescindibles en las interacciones entre partículas comunes, como indicamos en otro subapartado, cuando hablamos de los diagramas de Feynman, o en el establecimiento de la masa de las partículas a través del campo de Higgs.
Además, hay experimentos basados en el llamado Efecto Casimir, que muestran la presencia de estas flutuacións del vacío cuántico, y en la actualidad se está llevando a cabo un experimento en Hamburgo, utilizando el mayor láser de Rayos X del mundo (European XEFL), con el propósito de rastrear de manera muy preciso las flutuacións cuánticas del vacío.
Por otra parte, en la cosmoloxía actual se acepta que la mayor parte de la densidad de energía en el universo está en una forma desconocida llamada “energía oscura”. Se cree que constituye alrededor de él 70% de él contenido de él universo (la materia oscura, materia invisible cuya gravedad tira de las galaxias, constituye él 25%, y la materia normal sólo él 5%). No se conoce aún ni su origen ni su naturaleza, pero se postula que está relacionada con las flutuacións cuánticas del vacío, y sería la responsable de la repeler gravitacionalmente toda la materia; y, por lo tanto, causante de la expansión acelerada que se observa en el universo. De ser cierto, el destino final de nuestro mundo estaría en las manos de estas fugaces y “fantasmais” partículas virtuales.
Podemos concluir este asunto diciendo que en la física clásica el vacío es un lugar inerte, inactivo y “aburrido”, pero en la física cuántica el vacío es un lugar bien dinámico, concurrido y "divertido".

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Estuvo vinculado al Depto de Física de Partículas de la USC como becario "Juan de la Cierva", "Ramon y Cajal" (Spanish Postdoctoral Senior Grants), y Profesor Contratado Doctor. Desde 2023 es Profesor Titular de Universidad en ese Departamento (ORCID).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España), hasta su retiro en 2020. Es Licenciado en Física, Licenciado en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).(ORCID).

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Toda la Bibliografía que ha sido consultada para esta Sección está indicada en la Sección de Referencias


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO (ESPAÑA) |

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