Fluctuación cuántica

Visualización 3D de las fluctuaciones cuánticas del vacío QCD

En la física cuántica, una fluctuación cuántica (también conocido como fluctuación del estado de vacío o fluctuación del vacío) es el cambio temporal aleatorio en la cantidad de energía en un punto en el espacio, como prescrito por el principio de incertidumbre de Werner Heisenberg. Son pequeñas fluctuaciones aleatorias en los valores de los campos que representan partículas elementales, como campos eléctricos y magnéticos que representan la fuerza electromagnética transportada por fotones, campos W y Z que llevan la fuerza débil, y campos de gluón que llevan la fuerza fuerte. Las fluctuaciones de vacío aparecen como partículas virtuales, que siempre se crean en pares de partículas-antipartículas. Puesto que se crean espontáneamente sin una fuente de energía, se dice que las fluctuaciones de vacío y partículas virtuales violan la conservación de la energía. Esto es teóricamente permitido porque las partículas se aniquilan entre sí dentro de un límite de tiempo determinado por el principio de incertidumbre para que no sean directamente observables. El principio de incertidumbre establece que la incertidumbre en la energía y el tiempo puede estar relacionada por Δ Δ EΔ Δ t≥ ≥ 12▪ ▪ {displaystyle Delta E,Delta tgeq {tfrac {1}hbar ~, donde 1/2▪. 5.27286×10⁻³⁵Js. Esto significa que pares de partículas virtuales con energía Δ Δ E{displaystyle Delta E} y la vida más corta que Δ Δ t{displaystyle Delta t} son continuamente creados y aniquilados en espacio vacío. Aunque las partículas no son directamente detectables, los efectos acumulativos de estas partículas son mensurables. Por ejemplo, sin fluctuaciones cuánticas, la masa "bara" y la carga de partículas elementales serían infinitas; desde la teoría de la renormalización el efecto de blindaje de la nube de partículas virtuales es responsable de la masa finita y la carga de partículas elementales. Otra consecuencia es el efecto Casimiro. Una de las primeras observaciones que fue evidencia de las fluctuaciones de vacío fue el cambio de cordero en hidrógeno. En julio de 2020, los científicos informaron de que las fluctuaciones de vacío cuántica pueden influir en el movimiento de objetos macroscópicos a escala humana midiendo correlaciones por debajo del límite cuántico estándar entre la incertidumbre de posición/momentum de los espejos de LIGO y el número de fotones/incierto de luz que reflejan.

Fluctuaciones de campo

En teoría de campo cuántico, los campos sufren fluctuaciones cuánticas. Se puede hacer una distinción razonablemente clara entre las fluctuaciones cuánticas y las fluctuaciones térmicas de un campo cuántico (al menos para un campo libre; para los campos de interacción, la renormalización complica sustancialmente los asuntos). Una ilustración de esta distinción se puede ver considerando campos cuánticos y clásicos Klein-Gordon: Para el campo de Klein-Gordon cuantificado en el estado de vacío, podemos calcular la densidad de probabilidad que observamos una configuración φ φ t()x){displaystyle {displaystyle varphi _{t}(x)} a la vez t en términos de su Fourier transform φ φ ~ ~ t()k){displaystyle {displaystyle {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\\fnMicrosoft {fnMicrosoft {\\\\\fnMicrosoft {\\\\fnMicrosoft {\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ } para ser

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En contraste, para el campo clásico Klein-Gordon a temperatura no cero, la densidad de probabilidad de Gibbs que observamos una configuración φ φ t()x){displaystyle {displaystyle varphi _{t}(x)} a la vez t{displaystyle t} es

*** *** E[φ φ t]=exp⁡ ⁡ [− − H[φ φ t]/kBT]=exp⁡ ⁡ [− − 1kBT∫ ∫ d3k()2π π )3φ φ ~ ~ tAlternativa Alternativa ()k)12()SilenciokSilencio2+m2)φ φ ~ ~ t()k)].{displaystyle rho ¿Por qué? [H[varphi] ¿Qué? {B}T}=exp {fnMicroc} {1}{k_{mathrm {B}T}int {fn} {fnK} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnK} {fn}} {fn}} {fnK}}} {fnK}} {fnK}}}} {f}} {f}}}} {fnf}}}}}}} {f} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}} {f}}}}} {f} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f} {f} {f} {f} {f}}} {f} {f}}}f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} tilde {varphi {fnMicrosoft Sans Serif} {1}{2}} {fnK}m} {2}}};{tilde {varphi} - Sí.

Estas distribuciones de probabilidad ilustran que cada posible configuración del campo es posible, con la amplitud de las fluctuaciones cuánticas controladas por la constante de Planck ▪ ▪ {displaystyle hbar }, así como la amplitud de las fluctuaciones térmicas es controlada por kBT{displaystyle k_{mathrm {B}T}, donde k_B Es la constante de Boltzmann. Tenga en cuenta que los tres puntos siguientes están estrechamente relacionados:

1. La constante de Planck cuenta con unidades de acción (segundos júbilos) en lugar de unidades de energía (joules),
2. el núcleo cuántico SilenciokSilencio2+m2{fnMicrosoft Sans {fnMicrosoft Sans Serif}fnMicrosoft Sans Serif} en lugar de 12()SilenciokSilencio2+m2){displaystyle {scriptstyle {frac [1}{2}} {2} {2}}}} (el núcleo cuántico no es local desde el punto de vista del núcleo de calor clásico, pero es local en el sentido de que no permite la transmisión de señales),
3. el estado de vacío cuántico es invariante de Lorentz (aunque no manifiestamente en lo anterior), mientras que el estado térmico clásico no es (la dinámica clásica es invariante de Lorentz, pero la densidad de probabilidad de Gibbs no es una condición inicial invariable de Lorentz).

Podemos construir un campo aleatorio continuo clásico que tenga 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). campo, en el sentido de que las mediciones clásicas son siempre compatibles entre sí; en términos de mecánica cuántica, siempre conmutan).