En este artículo, le contaré algo sobre cómo funciona la mecánica cuántica, en particular, sobre el sorprendente fenómeno llamado "fluctuaciones cuánticas", y cómo se usa en la teoría cuántica de campos, un ejemplo del cual es el Modelo Estándar (las ecuaciones que usamos para prediciendo el comportamiento de partículas elementales conocidas e interacciones). Una comprensión profunda de este fenómeno y la energía asociada con él nos lleva directamente a uno de los conflictos más serios y sin resolver en la ciencia: el problema de la constante cosmológica. También nos lleva al misterio de la naturalidad, o al
problema de la jerarquía .
En la teoría del campo cuántico, las fluctuaciones cuánticas a veces se denominan o describen como "la aparición y desaparición de dos o más partículas virtuales". Esta jerga técnica es muy infructuosa, porque estas cosas (como las llamemos) definitivamente no son partículas, por ejemplo, no tienen una cierta masa, y también, ya que el concepto de "partícula virtual" se define con precisión solo en presencia de interacciones relativamente débiles .
Fig. 1Las fluctuaciones cuánticas están estrechamente relacionadas con el principio de incertidumbre de Heisenberg. Aquí hay un ejemplo clásico y más simple (Fig. 1). Si colocas la pelota en el fondo del bol, permanecerá allí sin parar. Esto se puede esperar de la experiencia cotidiana. Y en ausencia de la mecánica cuántica, eso sería así. Pero si coloca una partícula muy ligera en un tazón pequeño u otro tipo de trampa, encontrará que no se asienta en el fondo. Si no se moviera a continuación, esto violaría el principio de incertidumbre: garantizar que no se pueda saber exactamente dónde está la partícula (es decir, en la parte inferior) y cómo se mueve (en nuestro caso, no). Esto puede ser imaginado, aunque de manera imperfecta, pero práctico, como una especie de temblor constante que afecta a la partícula y no permite que se calme, como la intuición le dice en el ejemplo de bolas y cuencos. Un aspecto útil de esta imagen imperfecta es que deja en claro que la energía puede asociarse con este temblor.
En la teoría cuántica de campos: las ecuaciones cuánticas para campos como el eléctrico, se observa un efecto similar. Déjame explicarte.
Fluctuaciones de campo cuántico
Cada partícula elemental (y estoy hablando de partículas reales) en nuestro Universo es una onda, una onda pequeña, una onda de la intensidad más baja posible, que viaja a lo largo del campo cuántico elemental correspondiente (Fig. 2). La partícula W es una onda en el campo W; fotón - una onda en un campo eléctrico; quark superior: una ola en el campo del quark superior.
¿Y si no hay partículas? Incluso donde, en nuestra opinión, solo hay un espacio vacío, los campos aún existen: se sienta en silencio para sí mismo, así como hay agua en el estanque, incluso si ni el viento ni los guijarros producen ondas en su superficie, y como en una habitación hay aire incluso si no hay sonidos.
Fig. 2Sin embargo, la cuestión es que estos campos nunca se comportan de manera absolutamente silenciosa. Los campos cuánticos no admiten un valor constante; su valor en cualquier parte del espacio siempre tiembla un poco. Jitter se llama "fluctuaciones cuánticas", y al igual que para una partícula en un recipiente pequeño, es una consecuencia del famoso "principio de incertidumbre de Heisenberg". No puede encontrar el valor de un campo y al mismo tiempo cambiarlo; su conocimiento de una de estas cantidades, y generalmente dos, debe ser imperfecto. Y estas fluctuaciones a veces también se explican como la razón de la presencia de dos o más "partículas virtuales", pero este nombre se asocia solo con aspectos técnicos (con el cálculo de las propiedades de las fluctuaciones utilizando los famosos
diagramas de Feynman ), y no dice cómo debe imaginarlo.
La pregunta obvia es: ¿estás seguro de la presencia de fluctuaciones de campo cuántico? Respuesta: sí, aunque por ahora no lo explicaré. Un ejemplo: las fluctuaciones cuánticas conducen al hecho de que la fuerza de las interacciones flota cuando se mide a distancias cada vez más cortas, y no solo observamos este efecto, sino que también coincide con una alta precisión con lo que podemos calcular usando Modelo estándar. Este éxito confirma no solo la presencia de fluctuaciones cuánticas, sino también la estructura detallada del Modelo Estándar, hasta distancias del orden de una millonésima de una millonésima de una millonésima parte de un metro. Otro ejemplo: la reacción de un electrón a un campo magnético se puede medir con una precisión de un billón; también se puede calcular a través del Modelo estándar con una precisión de una billonésima parte, suponiendo la presencia de fluctuaciones en los campos que conocemos. Sorprendentemente, las mediciones coinciden con los cálculos del modelo estándar.
Lo que es importante, este temblor genera una cierta cantidad de energía, bastante. Cuanto Cuanto mejor sea su microscopio (o acelerador de partículas), más jitter verá y más energía de jitter encontrará.
La energía de las fluctuaciones cuánticas y la constante cosmológica.
Considere una caja con un borde de un metro y pregunte: ¿cuánta energía asociada con la fluctuación de un campo cuántico se puede contar en esta caja (Fig. 3)?
Cálculo 1: digamos, como muestran nuestras mediciones experimentales en el Gran Colisionador de Hadrones, el Modelo Estándar - una descripción funcional de todos los procesos que ocurren a distancias mayores que una millonésima de una millonésima de millonésima de metro - llamemos a esto la "distancia del TANQUE" de aproximadamente 1/1000 del radio de protones , dado que aproximadamente tal escala de experimentos puede llevarse a cabo en el LHC, los procesos están disponibles allí, incluidas las colisiones de partículas elementales con energías de menos de 1000 energías de protones en masa (la energía que E = mc
2 ). Esta energía es una energía de masa típica de la partícula más pesada, que se puede descubrir en colisiones de protones en el LHC, así que llamémosla "energía LHC". En la actualidad, la cantidad de energía de las fluctuaciones de cada campo en el Modelo estándar (por ejemplo, un campo eléctrico) es la siguiente: en cada cubo con el tamaño de los bordes igual a la distancia del TANQUE, está contenida la energía del TANQUE. En otras palabras, la densidad de energía es una energía LHC por un volumen LHC.
Compare esto con la materia ordinaria, cuya densidad de energía es igual a varias energías de masa de un protón o neutrón (es decir, las energías de masa de un núcleo atómico) para cada átomo, cuyo volumen, dado que un protón o neutrón es 100,000 veces más pequeño que el radio de un átomo, es 1,000,000,000,000,000 veces el volumen de protones. (Recuerde que el átomo está relativamente mucho más vacío que el sistema solar). Esto significa que la densidad de energía de las fluctuaciones cuánticas del campo eléctrico es aproximadamente un millón de millones de veces mayor que la de la materia ordinaria, por lo tanto, la energía de masa de las fluctuaciones del campo eléctrico con un borde de un metro es aproximadamente un millón de millones de veces mayor que la energía contenida en un metro cúbico de materia sólida. ¿Y cuánta energía es esta? ¡Suficiente para volar un planeta entero, o incluso una estrella! Es comparable en magnitud a la energía total del sol. Por supuesto, esta energía no se puede liberar del vacío, ni para mal ni para bien, por lo que no hay que preocuparse, no es peligroso. Pero esto es suficiente para entender la escala del problema de la constante cosmológica.
Cálculo 2: supongamos, en relación con el tema de la jerarquía y la naturalidad del Universo, que el Modelo Estándar describe todos los procesos de la física de partículas hasta la escala en la que la gravedad se convierte en una interacción fuerte: la llamada La longitud de Planck, que, a su vez, es otros mil millones de millones de veces menor que la distancia desde el cálculo 1. Entonces, la cantidad de energía de las fluctuaciones del campo eléctrico contenido en un metro cúbico es mayor que en el cálculo 1
(1,000,000,000,000,000)
4 = 1 con 60 ceros
tiempos
Si toma este número y lo multiplica por el número de contar 1, tendrá suficiente energía para volar todas las estrellas en todas las galaxias en la parte visible del Universo muchas, muchas, muchas veces. Y tanta energía está contenida en cada metro cúbico, si el Modelo Estándar describe correctamente los procesos físicos en escalas hasta la longitud de Planck.
Fig. 3En general, si el modelo estándar (o cualquier teoría típica de campo cuántico sin simetrías especiales) es verdadero hasta escalas de longitud L, entonces la energía de fluctuación en un cubo de tamaño L
3 es aproximadamente igual a hc / L para cada campo, donde h es la constante de Planck y c es límite de velocidad universal, conocido como la "velocidad de la luz". Esto significa que la densidad de energía es aproximadamente igual a hc / L
4 : si L disminuye en 10 veces, ¡entonces la densidad de energía aumenta en 10,000 veces! Es por eso que los números en los cálculos 1 y 2 resultaron ser tan grandes.
Estas declaraciones pueden parecerle extrañas. Son extraños, pero la física cuántica está llena de rarezas. Además, ni la mecánica cuántica ni la teoría cuántica de campos han fallado. Como mencioné anteriormente, tenemos evidencia completa de que los cálculos más simples, similares a los presentados, funcionan perfectamente en la teoría cuántica de campos. El hecho de la existencia de fluctuaciones cuánticas, junto con su energía, está tan profundamente arraigado en la mecánica cuántica que, para declararlas falsas, deberá explicar toda una biblioteca de resultados experimentales mediante los cuales la mecánica cuántica hizo las predicciones correctas. Entonces, como con los científicos, no tenemos otra opción que tomar estos cálculos en serio e intentar comprenderlos.
Es posible que tenga un par de preguntas obvias: ¿por qué no podemos determinar si esta energía está ahí o no? ¿Por qué toda esta enorme energía no tiene efecto en la materia ordinaria y en nosotros mismos? La primera parte de la respuesta: dado que cada metro cúbico de espacio contiene la misma cantidad de energía, dentro y fuera de cualquier cubo (Fig. 4) que puede dibujar. Analogía: hay presión de aire dentro de la casa, pero la casa no explota debido a esto, mientras que hay una presión de aire igual fuera de la casa. Del mismo modo, el hecho de que esta energía de densidad de pequeñas fluctuaciones cuánticas sea constante en todo el espacio y el tiempo significa que no tiene ningún efecto sobre los objetos que descansan o se mueven a través de él. Solo los cambios en la energía en el tiempo o en el espacio actuarán en las partículas, en los átomos que consisten en estas partículas, en las personas y los planetas que consisten en estos átomos. De hecho, esta energía de fluctuaciones cuánticas es la misma en todas partes y siempre, por lo tanto, es imposible sentirla, probarla o usarla.
Fig. 4 4Sin embargo! Respuesta, parte 2: aunque en la gravedad newtoniana, en la cual la gravedad atrae a las masas, esta energía del espacio vacío no se manifestará de ninguna manera, en la versión de Einstein, donde la gravedad atrae energía e impulso, esto no será así. Ya sea contar 1 o contar 2, o algo promedio será correcto, ¡una gran cantidad de energía en cada metro cúbico de espacio, lo que a menudo se llama "energía oscura", debería hacer que el Universo se expanda a una velocidad tremenda! Este mecanismo condujo a la "inflación cósmica", la fase a través de la cual el Universo pudo haber pasado hace mucho tiempo, lo que lo hizo tan uniforme como lo vemos hoy. El hecho de que el Universo no se esté expandiendo a una velocidad tremenda sugiere que la densidad de energía del espacio debería ser mucho menor que la densidad de energía de la materia ordinaria, y no mucho más. Cada metro cúbico de espacio vacío contiene solo la energía de la masa de un átomo, y el metro cúbico de materia sólida contiene la energía de la masa de muchos átomos, aproximadamente 1 con 30 ceros. El hecho de que en el espacio vacío la densidad de energía es aparentemente muy pequeña, a pesar de todos nuestros cálculos de cuánto debería deberse a las fluctuaciones cuánticas de los campos que conocemos, es el padre y la madre de todos los grandes misterios de la física cuántica: Problema cosmológico constante.
La siguiente pregunta obvia: ¿estás seguro de que las fluctuaciones cuánticas realmente tienen energía, o tal vez no está allí, lo que podría eliminar el problema de la constante cosmológica? Respuesta: sí, estoy seguro de que las fluctuaciones cuánticas tienen energía. Se llama energía cero, y es fundamental para la mecánica cuántica, gracias nuevamente al principio de incertidumbre. Y esto puede comprobarse: en un astuto experimento, la energía puede funcionar gracias
al efecto Casimir , que se predijo en la década de 1940, se observó por primera vez en la década de 1970 y se probó con mayor precisión en la década de 1990. Sin embargo, existe controversia sobre si realmente está relacionado con nuestro tema.
El problema de la constante cosmológica es muy grave. Sabemos experimentalmente que el Universo no se está expandiendo a una velocidad increíble; ella lo hace bastante despacio; será la medida 0 en la fig. 3 (abajo). Por lo tanto:
• O bien este recuento (e incluso el recuento 1, que no hace suposiciones que no conocemos del Modelo Estándar) es de alguna manera erróneo, y esta energía no lo es,
• O bien el efecto de esta energía en la expansión del Universo no es lo que pensamos, porque no entendemos la gravedad,
• O bien el cálculo es correcto, pero responde la pregunta incorrecta de alguna manera incomprensible para nosotros.
Nadie lo sabe a ciencia cierta. Hablaré sobre posibles soluciones a este problema en un artículo separado sobre la constante cosmológica. Pero mencioné una solución interesante que definitivamente no funciona, ya que estará relacionada con otro tema.
¿Puede la energía de diferentes campos destruirse mutuamente?
Existe una idea tan inteligente sobre cómo deshacerse de esta energía. Resulta que:
• La energía de las fluctuaciones de los campos bosónicos (campos para un fotón, gluón, W, Z y Higgs, e incluso gravitón) es positiva,
• ¡La energía de las fluctuaciones de los campos de fermiones (campos para un electrón, muón, tau, tres neutrinos y 6 quarks) es negativa!
Entonces, quizás, aunque la energía de cada campo es enorme, cuando sumas la energía de todos los campos, ¿la energía total será cero, o al menos muy pequeña?
Puede hacer tales cálculos, y en el Modelo estándar verá que esto no funciona; Hay demasiados fermiones, y en el espacio vacío debe haber una gran cantidad de energía negativa.
Una de las cosas interesantes de la teoría de la
supersimetría es que te obliga a agregar exactamente las partículas que necesitas (súper socios para cada uno de los tipos de partículas conocidos) para que obtengas automáticamente esta aniquilación mutua. Y, de hecho, este es el único tipo de teoría conocida por la humanidad en la que esto es posible.
Desafortunadamente, esto en realidad no resuelve el problema de la constante cosmológica. Si la supersimetría no se manifiesta explícitamente [y esto es imposible en nuestro mundo, las masas de todas las partículas conocidas deben ser idénticas a las masas de sus supuestos socios hipotéticos, y entonces las habríamos encontrado hace mucho tiempo], entonces esta destrucción mutua funciona solo parcialmente. La destrucción parcial, que puede refutar el conteo 2, aún te deja con una gran cantidad de energía al contar 1. Como se señaló en la Fig. 3, esta cantidad gigantesca de energía es suficiente para que el Universo se comporte de manera bastante diferente de lo que vemos, a menos que algo esté mal con la teoría de la gravedad de Einstein.
En resumen, hoy nadie conoce una forma complicada de destruir automáticamente mutuamente la densidad de energía de las fluctuaciones de varios campos en el mundo descritos por el Modelo Estándar hasta distancias LHC. De hecho, nadie sabe cómo hacer esto en una teoría de campo cuántico ligeramente no supersimétrica (y aún así, combinar la supersimetría con la gravedad revive este problema).
En otras palabras: incluso si permitimos la existencia de una aniquilación mutua especial entre los campos bosónicos de la naturaleza y los campos fermiónicos de la naturaleza, parece que tal aniquilación mutua solo puede ocurrir por casualidad, y en una fracción muy, muy pequeña de las teorías de campo cuántico o teorías cuánticas de cualquier tipo (incluida la teoría de cuerdas ) Por lo tanto, solo una parte muy, muy pequeña de los universos que puedas imaginar puede parecerte al menos aproximadamente la nuestra contigo (o al menos esa parte que podemos observar con nuestros ojos y telescopios). En este sentido, el problema de la constante cosmológica es un problema de naturalidad, como lo entienden los expertos en física de partículas y sus colegas: dado que el Universo en el que vivimos contiene tan poca energía oscura en comparación con lo que esperamos, nuestro Universo es muy inusual. y atípico