Vamos a continuar en esta entrada con la serie de divulgación que empezamos hace un par de semanas sobre el asunto de la materia. En concreto en estos dos enlaces: ¿Qué es la materia? y ¿Qué es la materia (II)?. Esto significa que para poder entender algo de esta entrada no hay más remedio que echar aunque sea un leve vistazo a las dos entradas anteriores. Y ciertamente comprendo que esta petición es atrevida y hará que más de uno no continúe leyendo el presente artículo, pero me temo que no hay más remedio. Así pues, para aquellos curiosos y atrevidos, continuemos por donde lo dejamos la última vez y adentrémonos en un tema que seguro va a interesar a muchos: ¿qué son las partículas "virtuales"?
Mmmm...¿partícula "virtual"?
Es posible que cierta parte de los lectores del presente artículo no hayan escuchado nunca este término, y es bastante probable que la mayor parte de los que sí conozcan el término, lo hayan escuchado de "refilón" sin saber demasiado bien qué quieren decir los físicos con semejante "virtualidad". Es más, incluso muchos físicos de carrera tienen dificultades para comprender bien la esencia de este asunto. Así pues, y sin más dilación, vamos a intentar explicar a continuación el tema de la manera más simple posible (aunque me temo que será obligatorio que eches antes un vistazo al menos a esta primera entrada de la serie ¿Qué es la materia?).
De todas formas, y como es bien sabida nuestra tendencia al mínimo esfuerzo, vamos a recordar de todas formas brevemente qué fue lo que acordamos en posts anteriores sobre lo que entiende la física más actual en relación al concepto de partícula. Según la física moderna, la noción de partícula se reduce al de una mera excitación ondulatoria (sinusoidal) que se propaga dentro de cierto campo cuántico. En este sentido realizamos una analogía simbólica que nos permitía entender estos "palabros" físicos mediante la metáfora de que en el mundo existe algo así como un "mar" de "mares" que cohabitan y existen de manera ubicua en cada rincón infinitesimal del espacio-tiempo. Estos "mares" presentan ciertos lugares sin apenas flujos y alteraciones ondulatorias (vacío cuántico en estado fundamental), y otros lugares con grandes alteraciones ondulantes (partículas) que se propagan y acoplan (trasvasan) de un "mar" a otro con cierta probabilidad. Finalmente determinamos que existe como mínimo un "mar" distinto para cada partícula conocida.
La partícula "real".
El anterior concepto de partícula como una vibración ondulatoria en un cierto "mar" (campo cuántico) necesita de un refinamiento teórico del que no necesitamos hasta este momento: en concreto, se trata de añadir a la descripción previa que las partículas (la perturbación ondulatoria que representan en esencia) deben presentar un movimiento regular, suave y constante. Un movimiento espacial de traslación (senoidal) periódico en el tiempo (simulando el movimiento del armónico simple). Es concretamente esta suave y continua propagación ondulatoria (este tipo de "ola" o flujo en cierto "mar") lo que entendemos por partícula "real" (del tipo que sea). Recordemos por cierto que el tipo de partícula -vibración- lo determinará el tipo de "mar" -campo cuántico- en que ésta uniforme vibración sucede.
La partícula "virtual".
La partícula "virtual" en física teórica es un término bastante confuso de partida, pero gracias al símil de los "mares" que venimos haciendo desde el principio, podemos acordar que será "virtual" aquella partícula que no cumpla con el último requerimiento que acabamos de mencionar antes: esto es, que sea una perturbación en un "mar" (campo cuántico) pero que ¡no presente un movimiento estable, regular, suave y periódico!
Por lo tanto, partículas "reales" y "virtuales" son en esencia la misma cosa: perturbaciones y alteraciones en sus "mares" correspondientes las cuales alteran el estado fundamental de reposo ("mar" sin "olas" -o técnicamente, campo cuántico en su estado de vacío-). Siendo de remarcar que la única diferencia entre ambos fenómenos físicos es el hecho de que las partículas "virtuales" constituyen perturbaciones (alteraciones dinámicas) no periódicas, semi-caóticas, y abruptas que sin embargo acontecen en el mismo "mar" (campo cuántico) que las suaves perturbaciones (senoidales) capaces de permanecer y trasladarse como un flujo en dicho "mar" (las partículas "reales").
Ejemplos de partículas "reales".
Un electrón es una partícula "real", una suave onda (senoidal) periódica en el campo cuántico ("mar") de electrones; puedes sostener uno en tu mano, por así decirlo; puede hacer un haz de ellos y enviarlos a través de una habitación o dentro de un televisor de rayos catódicos. Por otra parte, también un fotón es una partícula "real" de luz, una onda en el campo electromagnético (nombre que recibe el "mar" de los fotones), y puedes también hacer un haz de fotones (como en el caso de un láser).
Ejemplo de partículas "virtuales".
Imagina ahora que tenemos dos electrones "reales" que pasan cerca uno del otro como en la figura de arriba. Debido a su carga eléctrica (una propiedad esencial y distinguida que cada "mar" -campo cuántico- puede poseer o no), estos electrones (excitaciones ondulatorias periódicas) perturban el campo electromagnético (a veces llamado campo de fotones, puesto que sus ondulaciones son fotones). Pero debe quedar claro que esta alteración en el "mar" de fotones, dibujada arriba en verde, ¡no son "realmente" fotones! Y no lo son porque no representan una onda moviéndose o trasladándose (fluyendo) por el espacio. De hecho no son ondas en absoluto, y ciertamente no tienen la obligación de moverse a ninguna velocidad.
Como vimos en entradas anteriores, las excitaciones en los campos cuánticos (partículas) poseen ciertas características intrínsecas que trasladan con ellas conformen se mueven por el espacio (nivel energético, momento, carga eléctrica, carga de color, spin, etc.), y el hecho de que dos ondas de este tipo se aproximen modifican en general la probabilidad de acoplamiento entre los campos "mares" existentes. Y recordemos que este acoplamiento no es ni más ni menos que un parámetro (un número) que viene a indicar la probabilidad de que se produzca una interacción entre varios tipos de "mares". Existen en las matemáticas del modelo estándar varios parámetros de este tipo los cuales determinan la probabilidad de que una excitación de cierto campo interactúe con otro campo. De hecho, las ecuaciones del modelo estándar de partículas vienen a ser un compendio (casi un batiburrillo) de términos que vienen a representar cada tipo de interacción posible entre los campos ("mares") descubiertos experimentalmente hasta ahora (¡incluso el valor numérico concreto de los parámetros de acoplamiento fueron puestos en el modelo ad hoc para hacer cuadrar esta larga ecuación con la fenomenología del mundo!).
Interacción entre mares a base de partículas "virtuales".
De lo dicho anteriormente se puede concluir que la función de las partículas "virtuales" es la de perturbar los diferentes campos cuánticos según sean las propiedades intrínsecas que las partículas "reales" posean a la hora del acoplamiento efectivo. En el caso anterior de los dos electrones que se aproximan, visual y simbólicamente se podrían interpretar los hechos como sigue:
Empezamos con dos suaves y periódicas ondas ("olas") en el "mar" de electrones que se van moviendo y trasladando por el espacio (los puntos azules de la ilustración). El simple movimiento de cada electrón individual produce (debido a la carga eléctrica que transporta de manera intrínseca) una perturbación abrupta, caótica y no periódica en el "mar" de fotones (campo cuántico electromagnético). Estas alteraciones ("olas") no periódicas (no ondulatorias) ya vimos que no se mueven por el espacio y desaparecen casi tan pronto como aparecen: ¡se trata de fotones "virtuales"!
Pero aunque las alteraciones -"virtuales"- en el "mar" de fotones no se trasladen como tal, el hecho es que siempre aparecen y desaparecen de manera contínua de modo que de todas formas una especie de "nube de fotones virtuales" siempre acompaña al electrón, siendo la probabilidad de que un electrón genere un abrupto fotón "virtual" en cierta posición x del espacio inversamente proporcional a la distancia entre el electrón y x -aunque el rango efectivo es en realidad infinito, y cualquier electrón puede generar con cierta probabilidad (cada vez menor) un fotón "virtual" a cualquier distancia no importa cuan lejos miremos-. Por lo tanto, conforme más cerca de la suave onda del electrón nos coloquemos, más probable es que surja de manera espontánea una áspera perturbación en el "mar" de fotones. Así pues podemos imaginar esa suave onda periódica que se mueve (el electrón) rodeada de círculos concéntricos de fotones "virtuales" (perturbaciones que no son ondas, y que aparecen y desaparecen rápidamente) conformando una especie de "nube" cuya densidad disminuye conforme nos alejamos espacialmente del electrón.
Pues bien, cuando dos electrones se aproximan ocurre algo muy interesante. La densidad de fotones "virtuales" que acompañan a ambos electrones empiezan a armonizar y compaginarse de tal suerte que van dictando una dinámica muy particular para ambas partículas "reales". En el caso de que las cargas eléctricas sean iguales (como el caso de dos electrones) estas aditivas alteraciones (abruptas -"virtuales"-) en el "mar" de fotones determinará un flujo repulsivo contra la suave onda (perturbación ondulatoria en el "mar") del electrón, modificando de este modo su camino recto (el cual se habría visto inalterado de no ser por esta interacción con el "mar" de fotones).
Es decir, que las alteraciones ("los fuertes y caóticos oleajes") generados por cada electrón (debido a su carga) en el "mar" de fotones, son los que "empujan" las ondas de las partículas "reales" modificando su momento (sentido de movimiento y velocidad). ¡Es precisamente en este sentido en el que se dice que las partículas "virtuales" son las encargadas de transmitir las "fuerzas" en la naturaleza! De no ser por ellas, todas las partículas se moverían libremente sin interactuar unas con otras en modo alguno, y por lo tanto las trayectorias de éstas jamás se verían alteradas: todo iría siempre siguiendo el camino más recto posible...y punto.
Como nota mencionar que si en lugar de dos electrones, hubiésemos tenido un electrón y un positrón (antielectrón) acercándose, la densidad en la turbulencia o flujo en el "mar" de fotones habría en este caso"empujado" al electrón y el positrón uno hacia el otro (debido a las distintas cargas que poseen) en lugar de repelerlos como ocurrió en el caso de los dos electrones.
Las matemáticas de la naturaleza.
Visto lo visto uno puede preguntarse qué narices determina entonces la dinámica de toda la fenomenología en el mundo, y la respuesta es bien clara: las matemáticas. Hemos visto que los fenómenos (las ondulaciones y las fuerzas -interacciones-) dependen absolutamente del concepto de probabilidad (que en el modelo estándar se simboliza mediante parámetros -números- para los distintos acoplamientos entre "mares"), dependen del concepto de ecuación de onda, de los principios cuánticos (fundamentalmente el principio de incertidumbre y la exclusión de Pauli), y del concepto de simetría (es decir; de la conservación de ciertos valores a los que les damos nombre físicos -momento, energía, carga eléctrica, carga de color, spin,...- pero que en el fondo sólo representan variables numéricas que cambian en el tiempo de manera algebraica).
De este modo los físicos durante casi un siglo se esforzaron por aunar todos estos preceptos (junto con los propios de la relatividad especial), de modo que el resultado ha sido un modelo matemático teórico capaz de predecir (con muchos decimales de precisión) todo lo que hemos podido corroborar hasta ahora de manera experimental en los aceleradores de partículas. Pero en el fondo se puede entrever que el fenómeno en el mundo parece carecer de otra "esencia o sustrato" que no sea pura matemática. Porque aunque el modelo estándar es de sobra conocido que no es todavía un modelo completo del mundo natural, no obstante su gran éxito nos permite extrapolar sin miedo a equivocarnos que sea cual sea finalmente ese modelo capaz de dar cuenta de todo, el mismo resumirá con certeza sus premisas sobre la propia realidad del número, de la función, del cambio algebraico, la ecuación de onda, la probabilidad...y poco más.
Y ciertamente nuestra (prejuiciosa) mente se resiste a renegar de la física, o de desplazarla como una mera ilusión fenomenología que emerge por entre los potenciales eléctricos de nuestro cerebro, pero es que es lo que todo parece indicar. ¿Qué es, por ejemplo, un electrón? Por lo que sabemos simplemente un conjunto de números. Identificamos a su carga eléctrica con un número, a su espín también con un número, su posición la indican varios números, lo mismo que su velocidad, su energía, su masa, etc. Y también son números la probabilidad de sus acoplamientos, y las ecuaciones algebraicas (ecuación de onda, lagrangianos, etc.) que relacionan y modifican todos sus números con los números de otras partículas (que son la misma cosa pero con otros valores numéricos y otra cantidad de variables: otras cargas como la carga de "color" de los quarks, etc.).
Y si alguien de verdad reniega de este ideal matemático que recuerda mucho a las propuestas platónicas, le reto a que me diga, por favor; qué es entonces en su opinión y a la vista de la física moderna, un electrón. Qué realidad física -no matemática- presenta dentro de las descripciones del mundo cuántico que descubrimos ya a principio del siglo pasado. ¿Qué "sustrato o sustancia" física nos queda ya hoy día? Dudo que nadie sepa qué responder de manera honesta y congruente, porque en este momento resulta evidente que todo en el fenómeno se reduce a ondas de probabilidad, a distribuciones de números, a modificaciones en dichas variables numéricas, y siempre todo de acuerdo a leyes de simetría que en el fondo lo único que indican es que matemáticamente todos estos números deben conservarse de manera global y local de modo que la ilusión de cohesión y causalidad física permanezca coherente ante nuestra mente de simio venidos a más.
Comentarios
#0 Por cierto, intentando resolver las muchas dudas que me surgen sobre las partículas virtuales, he encontrado este artículo divulgativo, que tiene una estructura similar al tuyo:
https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/virtual-particles-what-are-they/
Supongo que, en caso de que hayas tomado algo de ahí y como estamos en el sub de ciencia, ¿lo correcto no sería que se referenciase adecuadamente? Seguramente Matt Strassler haría lo mismo si tomase algo de tus artículos (una pena que no sepa castellano y se pierda esta serie de artículos).
#3 Tome prestada sólo la imagen de la ilustración y nada más (y no sé si la imagen es original de Matt Strassler o si él la tomó de otro sitio). Y si la estructura se parece en algo es porque hablamos de lo mismo es inevitable.
#4 O sea, que si se habla del mismo tema en dos textos distintos, ¿ambos tienen que tener la misma estructura? Es decir, la forma del texto en la que eldiario.es trata el tema de la Gurtel es igual que la forma en la que lo trata larazon.es ?
Por otro lado, estaría encantada de que me respondieses a las preguntas de mi otro comentario #2. Si hay algo que no te pregunté de manera clara, por favor házmelo saber!
#5 Si comparas bien ambos textos verás que la coincidencia es mínima y se basan en una ilustración que pillé de allí (lo confieso) y muy poco más (el pequeño párrafo del electrón quizás se parece un poco que le vamos a hacer). No ví necesidad de linkear al texto por eso. De todas formas ya corregiste tú el error y cualquiera puede comentar la fuente que ya bien enlazaste antes.
El resto de preguntas las contestaré cuando pueda si saco tiempo. Un saludo.
#6 Gracias por adelantado! A la espera quedo entonces
#0 Interesante articulo. Pero déjame que te haga unas preguntas que me gustaría que me aclarases, pues no he conseguido seguir tu artículo del todo.
Visto lo visto uno puede preguntarse qué narices determina entonces la dinámica de toda la fenomenología en el mundo, y la respuesta es bien clara: las matemáticas.
Qué es la dinámica de la fenomenología en el mundo? Según entiendo, la dinámica (wikipedia) describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación con los motivos que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento. La fenomenología es la aplicación de las teorías físicas a los datos experimentales de manera que se realizan predicciones precisas. Y el mundo, supongo que es el planeta Tierra. ¿Me puedes explicar a qué te refieres exactamente y por qué la respuesta es "las matemáticas"?
Hemos visto que los fenómenos (las ondulaciones y las fuerzas
interacciones) dependen absolutamente del concepto de probabilidad (que en el modelo estándar se simboliza mediante parámetrosnúmerospara los distintos acoplamientos entre "mares"), dependen del concepto de ecuación de onda, de los principios cuánticos (fundamentalmente el principio de incertidumbre y la exclusión de Pauli),Los fenómenos dependen del concepto de probabilidad? Eso significa que sin el concepto de probabilidad, los fenómenos no existen? Significa que hasta que el concepto de probabilidad no fue establecido por los pensadores del momento los fenómenos no existían? Se aplica lo mismo para la función de onda y los principios cuánticos?
Por cierto, ¿qué son los principios cuánticos? Te refieres a los postulados de la mecánica cuántica? https://en.wikipedia.org/wiki/Mathematical_formulation_of_quantum_mechanics#Postulates_of_quantum_mechanics
En ese sentido, no veo ahí el principio de incertidumbre. ¿O es que el principio de incertidumbre no es un principio y se puede obtener de los postulados (https://es.wikipedia.org/wiki/Relaci%C3%B3n_de_indeterminaci%C3%B3n_de_Heisenberg#Demostraci%C3%B3n)? Podrías explicar exactamente qué quieres decir?
y del concepto de simetría (es decir; de la conservación de ciertos valores a los que les damos nombre físicos -momento, energía, carga eléctrica, carga de color, spin,...- pero que en el fondo sólo representan variables numéricas que cambian en el tiempo de manera algebraica).
¿Valores? ¿O magnitudes? ¿Es un vector un valor? Un vector tiene una estructura que le permite transformar adecuadamente bajo ciertas transformaciones (por ejemplo rotaciones). Algo similar ocurre con los tensores (según he leido). Y son todas numéricas? Por ejemplo, los quarks pueden ser: up, down, top, ... Y todas estas magnitudes cambian en el tiempo de manera algebraica? Es que no me acuerdo de mis clases de física del instituto, pero creo recordar que decían algo como "la energía ni se crea ni se destruye, se transforma". Y respecto a la carga, creo recordar algo similar. Me suena que es precisamente la conservación de la carga eléctrica la cantidad (carga de Noether) que hace que la teoría de Maxwell sea invariante bajo el grupo de transformaciones U(1). Y cambian de manera algebraica? O sea que cuando uno calcula diagramas de Feynman, uno simplemente tiene que hacer cálculos algebraicos similiares a cuando uno resuelve ecuaciones algebraicas?
Gracias por adelantado. Me encanta la física y tus artículos y respuestas me ayudan a conocer la verdad (en otro caso, cualquier otra explicación que no fuese la verdad podría ser equiparable a la explicación divina que, además, es la más sencilla).
Nuevamente, gracias por el artículo.
Respecto a su pregunta final yo, discrepo, considero que si que tiene que haber algún sustrato. La matemática solo nos brinda modelos numéricos de cómo se comportan la fenomenología. En muchos casos permite explicar y predecir los fenómenos de forma increíblemente precisa; en otros, simplemente ofrece datos probabilísticos.
Para mi, explicar las cosas de forma probabilística denota un límite en el estado del conocimiento actual. Solo espero que no sea un límite absoluto como parecen demostrar distintos principios de indecibilidad.
Cambiando ligeramente de tema, una de las hipótesis que se plantea es la de la realidad como una simulación; si dotásemos de conciencia al personaje de un videojuego, ¿Cómo vería su realidad?, ¿Cuál sería el sustrato básico de la misma?, ¿Es la esencia misma de la realidad una sucesión de números, de algoritmos o hay algo físico de verdad?, ¿Cómo se explicaría esa conciencia la realidad?
#1 Para mi, explicar las cosas de forma probabilística denota un límite en el estado del conocimiento actual.
Pérmíteme que comente que es precisamente la probabilidad una de las grandes explicaciones de este mundo cuántico. Supón una barra en equilibrio sobre un apoyo, en un mar de vientos (corrientes de aire laminares y turbulentas que golpean la barra y la hacen oscilar, poco o mucho, no importa). Esa barra puede perder su estado de equilibrio hacia un lado o hacia otro cada una con una probabilidad o girar sobre si mismo o permanecer quieta a lo que llamaremos grados de libertad y podríamos representar sus estados como:
0, permace estable; -0 si gira sobre si mísmo; +1 si se vence hacia un lado y -1 si vence por hacia el otro.
Solo probabilisticamente podríamos medir y determinar su conducta quedando perfectamente explicado su comportamiento.
Si la barra fuese magnética, como una brújula, en el mar magnético y en el mar de vientos, aún podriamos reducir su grado de libertad ya que reduciría su capacidad de giro a un pequeño ángulo evitando el giro total y ésta nueva condición podríamos representarla por +1/2 y -1/2.
Cuantos mas mares o campos introduzcamos en el ejemplo mas o menos estados y grados de libertad determinarian la conducta final de esa barra en equilibrio y por tanto solo probabilisticamente podríamos definir su sistema.
Si la barra mantiene sus oscilaciones y su equilibrio al filmarla y ver su conducta, no podríamos saber si la película está puesta de derecho o del revés, hasta que cae, momento en el que todos esos estados probables o improbables dejan de tener sentido pues una realidad ha ocurrido y se determinaría el sentido de visionado de la película.
En ese momento la caida puede ser limpia o incluir otros estados como rotaciones o predecesiones que genera nuevos grados de libertad y probabilidades en la caída, hasta que llegase al suelo, por ejemplo.
Lo bueno del sistema probabilistico es que solo ocurre lo que está previsto y es posible, aunque casi siempre existe una infíma probabilidad que ocurra lo imposible.
#7 El ejemplo es bastante ilustrativo, gracias. La realidad no es una función, ni una matriz; que la mejor herramienta de que disponemos para explicarla sea en términos probabilísticos lo veo más como una limitación de nuestras herranientas: el salto de la física clásica a la cuántica puede ser un ejemplo; o la búsqueda de una teoria unificadora.
Aunque bueno, a lo mejor la propia naturaleza incluye un sesgo que nos impida ser más precisos, como ocurre cuando el hecho de medir el estado de un sistema hace que ese sistema ya cambie; o que podamos medir ciertos parámetros de una partícula pero eso nos impida conocer otros.
Los ingenieros vemos las matemáticas como una simple herramienta que nos ayuda en primer lugar a comprender los procesos naturales, y en segundo lugar a moldearlos para nuestro aprovechamiento. A mí me parece muy osado que por tener un modelo matemático que más o menos predice nuestra realidad, se pretenda que no existe otra realidad que el propio modelo. Salvando las distancias, es como si tengo las leyes de Newton y de Kepler en la mano y digo que los planetas no existen, si no meras matemáticas que representan sus masas y sus momentos angulares, que determinan sus interacciones. La diferencia es la capa de abstracción, que un planeta puedo verlo, puedo tocarlo y lo siento real, y sin embargo los campos cuánticos, no son intuitivos. En cualquier caso, como propuesta/hipótesis es curiosa e interesante.
Ah, y gracias por estos artículos divulgativos.
Gracias de nuevo por un artículo pedagógico, años escuchando esta terminologia y desconocía el concepto de 'virtual' como perturbación asociada al acoplamiento. De hecho estaba convencido que las partículas virtuales eran producidas por el vacio cuántico (sin necesidad de 'partícula' alguna) y la interacción entre dos electrones se hacia realmente complicado de visualizar, dos pajaros de un tiro gracias!
Respecto esencia última física supongo que siempre nos quedará el sustrato ultimo del espacio-tiempo (sea lo que sea que signifique) y energía (sea lo que sea que signifique, especialmente ambiguo y genérico dicho sea de paso).
Un Saludo,