Si te gusta la física probablemente has escuchado sobre las partículas virtuales. De hecho, muchas veces son usadas para explicar cosas como la radiación de Hawking; radiación que emiten los agujeros negros y que los condena a desaparecer. Pero ¿qué son exactamente estas partículas y por qué son importantes?
Para entender qué son las partículas virtuales y su importancia en la física contemporánea, primero es necesario entender qué dice la mecánica cuántica sobre nuestro universo. Según esta teoría, nuestro universo está compuesto por una serie de campos. Una forma simple aunque no exacta de imaginarlo es pensar que nuestra realidad está compuesta por una serie de capas.
Las partículas, como los electrones, protones y fotones, no son más que excitaciones en estos campos. En otras palabras, no son bolitas, como usualmente las imaginamos, sino más bien ondas o perturbaciones en estos campos. Por ejemplo, un electrón es una perturbación en el campo de los electrones. Por otro lado, los fotones, las partículas que componen la luz, son también ondas, pero no en el campo de los electrones, sino en el campo electromagnético.
Lo segundo que debemos saber es que lo que ocurre en un campo puede afectar a otro campo. Por ejemplo, los electrones tienen carga eléctrica, por lo que interactúan con el campo electromagnético; es decir, con el campo de los fotones. Adicionalmente, los electrones también interactúan con el campo de Higgs. De hecho, esta es la razón por la que los electrones y otras partículas tienen masa.
Por último, es importante saber que las partículas subatómicas pueden interactuar unas con otras. Por ejemplo, si dos electrones se acercan, estos tenderán a repelerse. ¿Por qué? Porque ambos poseen una carga negativa. Las cargas iguales se repelen, mientras que las cargas opuestas se atraen. Esta es la razón por la que los polos opuesto de dos imanes se atraen y los polos iguales se repelen. Sabiendo estas tres cosas podemos pasar a explicar qué son las partículas virtuales.
De acuerdo con Matthew O’Dowd, profesor asociado del Departamento de Física y Astronomía del Lehman College la Universidad Municipal de Nueva York, las partículas virtuales son un hack matemático para poder realizar cálculos imposibles en la mecánica cuántica. Pero ¿qué significa esto? Veamos.
Cuando dos electrones, dos partículas en el campo de electrones, se acercan, estos interactúan intercambiando energía a través del campo electromagnético. Como mencionamos anteriormente, este último es el campo de los fotones.
Ahora, como explica O’Dowd, este proceso es sumamente complicado. Primero, los electrones perturban el campo electromagnético. Luego, la reacción en el campo electromagnético perturba el campo de los electrones. Esta nueva perturbación en el campo de los electrones vuelve a perturbar el campo electromagnético y así sucesivamente. De esta manera, tenemos una cadena de de reacciones y contra reacciones que es sumamente difícil de calcular matemáticamente.
Es aquí donde entra el hack. Este hack consiste en acercarse al proceso complejo haciendo una suma de interacciones idealizadas más simples. Por ejemplo, podemos decir que cuando dos electrones se acercan estos intercambian energía, momento y un fotón; un fotón virtual. Esto es usualmente representado con un diagrama de Feynman que podrás encontrar en nuestro video. De hecho, es posible que alguna vez hayas visto este tipo de gráficos en internet. Pero ¿por qué decimos que intercambian un fotón virtual?
De acuerdo con Matt Strassler, profesor asociado de física de la Universidad de Harvard, las mismas ecuaciones que usamos para explicar el comportamiento de los fotones describen también estas perturbaciones generadas por dos electrones interactuando. De hecho, estas ecuaciones nos dicen que si la naturaleza tiene fotones, entonces también puede tener esta clase de perturbaciones. Esta es la razón por la que los físicos llaman a estas excitaciones del campo electromagnético fotones virtuales. Sin embargo, es importante resaltar que estas perturbaciones no son fotones reales.
Ahora, una vez que has calculado el resultado de esta interacción, haces lo mismo con todas las otras posibilidades idealizadas que pueden resultar de esta interacción. Finalmente las sumas y el resultado será una aproximación bastante exacta de lo que ocurre en la práctica.
Este hack puede ser usado para calcular interacciones con distintos tipos de partículas. Sin embargo, no debemos pensar que las partículas virtuales son partículas reales, sino, en palabras de O’Dowd, son los ladrillos matemáticos que nos ayudan a aproximarnos a la complejidad de las interacciones de los campos que permean nuestro universo.
Las partículas virtuales comparten algunas propiedades con las partículas reales como su carga, pero al mismo tiempo ignoran muchas leyes físicas. Por ejemplo, pueden tener cualquier masa, o viajar más rápido que la luz o ir hacia atrás en el tiempo. Esto es posible porque no son partículas reales, sino herramientas matemáticas que nos ayudan a predecir el comportamiento real de partículas reales.
Así, las partículas virtuales son un constructo sumamente importante para nuestras explicaciones modernas del universo. Estas nos ayudan a entender la interacción de las distintas partículas fundamentales con los campos que permean la realidad.
