Schwinger, ¿de dónde salen estas partículas?


Julian Schwinger

Aquí hemos hablado de las diferentes sorpresas a las que nos tiene acostumbrados la naturaleza a niveles cuánticos.  En esta ocasión no vamos a ser menos y nos vamos a enfrentar a un maravilloso efecto descrito por el físicos Julian Schwinger.  Es de recibo en este punto decir que este efecto fue anticipado por Sauter y posteriormente estudiado por Heisenberg y Euler.

Este efecto, como tantos otros, algunos de los cuales ya los hemos tratado aquí, se basa en las características del vacío cuántico. Como vamos a ver, el efecto consiste en la aparición de pares de partícula/antipartícula (fundamentalmente electrón-positrón) desde el mismo vacío por la presencia de un campo eléctrico de alta intensidad.

Espero que el tema os parezca tan interesante e impresionante como a mí.

Los ingredientes fundamentales

Para visualizar este efecto necesitamos una serie de ingredientes bien sencillos. Hagamos una lista:

  1. Necesitamos un par de placas metálicas.
  2. Necesitamos conectar este par de placas a una pila.

(Evidentemente, las verificaciones experimentales de este efecto son un poco más complicadas, pero aquí únicamente quiero poner de manifiesto los ingredientes físicos relevantes, los detalles técnicos se los dejaremos a los experimentales 😉 )

Con este simple dispositivo conseguimos tener un campo eléctrico uniforme entre las placas, no hemos más que diseñado un condensador eléctrico:

El valor del campo eléctrico entre las placas del condensador dependerá de la diferencia de potencial aplicada entre las placas y de la distancia entre las mismas.  

Asumiremos a partir de ahora que tenemos un vacío perfecto entre las placas.

¿Qué pasa con el vacío?

En teoría cuántica el vacío no puede ser un estado perpetuamente ‘tranquilo‘. Para que la teoría sea consistente, y se respete el principio de indeterminación, el vacío cuántico tiene que sufrir fluctuaciones. ¿Esto qué quiere decir?

En cuántica el vacío se identifica como el estado de menor energía. Generalmente podemos decir que es el estado de energía nula (en un contexto no gravitatorio esto siempre es posible). Sin embargo, Heisenberg, a través de su principio de indeterminación obliga a que este estado no tenga una energía perfectamente determinada en todo instante de tiempo. El sistema en su estado de vacío puede tener fluctuaciones de energía \Delta E siempre y cuando su existencia tenga un tiempo de vida \Delta t menor que el necesario para medirla, de forma que el producto de indeterminaciones verifique \Delta E \Delta t\geq \hbar, donde \hbar es la constante reducida de Planck. De este modo, el estado de vacío tiene una energía en promedio nula pero instantáneamente está indeterminada. 

En algunas circunstancias podemos decir que estas fluctuaciones son análogas a la aparición de pares de partícula/antipartícula ‘virtuales‘ que son emitidas y absorbidas en un tiempo muy breve, tanto menor como mayor sea la energía empleada para crear el par desde el vacío. La imagen pictórica de este hecho es la siguiente:

En términos de los famosos diagramas de Feynman, lo que tenemos es que el sistema está en un estado vacío, y sin la participación de otras partículas aparece un par desde el vacío que vuelve a ser reabsorbido en el vacío:

Si queréis profundizar más en estos temas del vacío y las partículas virtuales os dejo unas entradas del blog sobre estos temas:

Vacío Cuántico

Partículas virtuales

 

¿Qué pasa si tengo un campo eléctrico?

Si tenemos un estado de vacío entre las placas de un condensador, el campo eléctrico interactuará con estos pares. Los positrones tendrán la tendencia de ir hacia la placa negativa y los electrones hacia la placa positiva.

Si el campo eléctrico es lo suficientemente intenso será capaz de impedir que el par se reabsorba en el vacío y las partículas pasaran a existir:

El campo eléctrico puede provocar, si tiene la suficiente intensidad, que el par 'virutal' pase a la existencia.

El campo eléctrico puede provocar, si tiene la suficiente intensidad, que el par ‘virutal’ pase a la existencia.

 

Pero las partículas virtuales no son observables, en cierto sentido no son ‘reales‘, ¿cómo pasan a la existencia?

Lo que hace el campo eléctrico es ‘pagar’ la energía al vacío para que dichas partículas generadas del mismo adquieran masa y pasen a existir. Por lo tanto, el campo eléctrico en juego tiene que tener al menos tanta energía como 2\times m_{e}c^2.  Es decir, que su intensidad ha de ser lo suficientemente alta como para poder generar dos partículas con la masa en reposo del electrón sin violar la conservación de la energía.

Literalmente, estas partículas nacen del vacío, pero no hay nada gratis en este universo, así que la energía para que este efecto tenga lugar ha de ser provista por un campo externo, en este caso el campo eléctrico.  

La probabilidad de que se de este efecto va con un factor:

P(Schwinger)\propto Exp\left[-\pi\dfrac{m^2}{qE}\right]

Esto implica que a mayor masa de las partículas que queramos crear menor probabilidad y a mayor campo eléctrico mayor probabilidad. 

Hay ciertas sutilidades en este proceso que lo hacen muy interesante. Es un efecto no lineal, no perturbativo, involucra al vacío cuántico y se estudia en el contexto de tiempo imaginario. Seguro que volvemos a este efecto para profundizar más adelante y para hablar de sus realizaciones experimentales con láseres de gran potencia, entre otras posibilidades.

Nos seguimos leyendo…

 

 

 

Anuncios

23 Respuestas a “Schwinger, ¿de dónde salen estas partículas?

  1. Es lo mismo que ocurre a los agujeros negros que al darle realidad a las partículas virtuales que surgen del vacío cuántico en el horizonte de sucesos van perdiendo masa y finalmente desaparecen? .

  2. Un saludo amigo.
    Muy interesante el post me dejo una buena idea de a lo que el mecanismo de Schwinger se refiere, si no me equivocó ¿es este fecto, lo que describe?
    Me interese por el tema debido a un reciente trabajo donde se midio dicho efecto en grafeno, a continuación dejo un link:
    http://arxiv.org/abs/1607.02055

    Por ultimo me gustaria decir que colocar algunas referencias y el nombre y grado profesional de la persona que escribe estos post le daria un grado importante de confianaza al lector, de la veracidad de su contenido. Esto lo digo solo por que acostumbro a tener mucho cuidado antes de salir corriendo a contar les lo que he leido en internet a mis compañeros.

    Un saludo.

  3. Es curioso que en el vacío se crean pares electrón-positrón virtuales pero no reales, puesto que no se conservarían energía y cantidad de movimiento.
    http://forum.lawebdefisica.com/entries/593-Imposibilidad-de-la-creaci%C3%B3n-de-pares-electr%C3%B3n-%E2%80%93-positr%C3%B3n-en-el-vac%C3%ADo

  4. Pingback: Quarks entrelazados a través de un agujero de gusano | Experientia docet

  5. Primero: Mi idea es que hay una confucion fisica muy grande al interpreter el llamado vacio cuantico, desde el punto de vista teorico, de lo que nos estan diciendo la forma en que hacemos los calculus y lo que en realidad ocurre en la naturaleza o en los experimentos humanos. Expirimentos, o eventos naturales, donde si hay energiacampo “extra” para producir particulas, o energiasmasas (particulas), que es como las llamo yo en mi modelo especulativo, para un nuevo paradigma fisico.
    Segundo: Y otra gran confucion; esta de corte especulativo (no tienen nada fisico), al generalizer el concepto llamado vacio cuantico, a todo el universe; donde para mi no existe ese mundo lleno de energia base, que hace producir y aniquilar particulas desde la nada, energeticamente habalndo, y que nadie puede, ni podra nunca, verificar con ningun experiment fisico. Teoricamente por el anticientifico principio de Heisemberg que usan para justificar, esa inexistencia y segundo, porque no existe como realidad.

    Concretemos la idea (como siempre hago, fisicamente, no como otros metafisica-matematica, fe y fisica), tomando el jemplo del condensador Schwinger, (podria ser el fuerte campo o energiacampo de un acelerador, el fuerte energiacampo de un cuerpo supermasivo o el fuerte energiacampo de un nucleo atomico pesado), para que se vea con claridad, lo que yo llamo primero, confucion interpretativa y segundo, confucion especulativa.

    Supongamos que es possible (olvidemosno de la ructura clasica de la permitivilidad dielectrica del vacio clasico, de los materiales de las placas, y de cosas asi,…) experimentalmente ir aumentando hasta donde sea necesario el campo entre dos placas de un condensador.

    Para mi modelo, llegara un momento en que la desidad de la energiacampo (campo electromagnetico, o fotones) del interior de las placas, comensaria a igualarse (si se quiere en algunos puntos o regiones primero), a la densidad del interior del de las propias particulas que producen dicho campo. (Esto esta dado, porque segun mi modelo de la interaccion Luz-Luz las particulas no son puntuales,…)
    Pero segun mi modelo eso no llega a ocurrir, porque esas energiascampos, fotones, antes, se confinarian para formar energiasmasas (particulas).
    Es decir, no necesitas fisicamente, inventarte un vacio cuantico fantasmagorico o traer a un tercero de la nada para que aparescan particulas,… Y que tambien podrian pasar de energiasmasas, una vez creadas, a energiascampos; algo que se ve muy bien cuando vez salir luz de esos campos tan intensos. ?Para que necesitas un vacio cuantico, que produsca pariculas virtuales, si tienes una energia suficiente, que tu mismo has creado con el condensador o la naturaleza, con sus macrocuerpos estelares o sus micronucleos pesados? Es decir, metes un ruido interpretative, que fisicamente no es necesario y que por tanto no es la interpretacion correcta de donde salen las famosas particulas virtuales o inmedibles con los instrumentos o experimentos actuals. Resumiendo: Si existe para estos casos las particulas llamadas virtuales (inmedibles po ahora), pero no existe un vacio que las produce, sino un campo real, tangible y medible. Por ultimo: Y eso no sera nada sorprendente para un fisico que se forme bajo las ideas de un nuevo paradigma que en verdad se necesita y vamos a crear entre todos, y para que todos lo entiendan. Espero que con esto el primer punto quede algo mas claro fisicamente.

    Ahora el Segundo punto se cae por su propio peso; ya que con un tenue campo entre las placas, ya debian salir particulas del vacio universal fantasmagorico, pero no, hay que arrancarselas de forma especial. Que no es mas, que una forma circular, o una confucion especulativa, para no decir con clarida fisica, que no existe tal vacio cuantico universal o la generalizacion de un fenomeno fisico local, humanamente entendible, a todo el universo. No puedes decir que existe un vacio universal (un campo base que produsca particulas inmedibles, que se aniquilan,…), fuera de este hipotetico condensador, de los campos de los aceleradores, de cuerpos supermasivos estelares, de nucleos atomicos pesados,… plegado de de energia fantasmagorica, y que nadie nunca ha medido, ni podra medir fisicamente. Esa generalizacion de vacio cuantico universal, de mundo energetico paralelo a las energiascampos y energiasmasa naturales, es falsa, es un invento para interpreter cosas que todabia no entendemos fisicamente y que la fisica-matematica no nos revela con claridad, porque caresemos de las suficientes bases experimentales.
    Por ultimo, esto no es mas que una idea, una opinion sin animo de offender las creencia de nadie; por lo que cualquier ataque personal, sera una muestra mas de falta de cultura cientifica, de cultura del debate o de ideaso covicciones propias al respecto.

    • Vaya…otro iluminado que no necesita las Matemáticas apra comprender el mundo subatómico, porque él ve la fisica pura con sus propios ojitos…Lástima que la realidad le quite la razón: el efecto Lamb y la razón giromagnética del electrón se han medido con 14 decimales de precisión gracias a las partículas virtuales y esos artificios “que nadie puede, ni podra nunca, verificar con ningun experiment fisico”…

  6. 1.-Según la teoría el protón se desintegra en partículas subatómicas, usualmente un pion neutro y un positrón. Hasta el momento, la desintegración de protones no ha sido observada, ni hay evidencia de que exista.
    2.-Si tenemos un estado de vacío entre las placas de un condensador, el campo eléctrico interactuará con estos pares. Los positrones tendrán la tendencia de ir hacia la placa negativa y los electrones hacia la placa positiva.
    El párrafo 1 es una explicación de Wikipedia donde nos dice que los positrones se obtienen de de la desintegración de protones. En el párrafo 2 explicas que positrones están disponibles para intentar moverse en una placa metálica de un condensador polarizado, como si de positrones libres se tratara.
    Que yo sepa sólo en los aceleradores de partículas experimentalmente pueden observarse positrones durante el tiempo en que se desintegran con su par electrón al ser colisionados nucleos de partículas pesadas. También son usados en equipo médico con equipo especial que puede producirlos para tratar algunas enfermedades, o incluso presentes en los rayos cósmicos. Pero que anden por ahí positrones libres en las placas metálicas de un condensador, equivaldría a que millonarias cantidades de ellos surgieran de la desintegración de nucleos de átomos metálicos, ocasionando que un condensador se comporte como una pequeña bomba termonuclear en el momento de aplicársele un potencial de carga eléctrica entre sus placas.
    Existen electrones libres que se pueden mover a través de placas metálicas que son excelentes conductores de electrónes, pero que yo sepa, los positrones no pueden hacerlo, afortunadamente.

  7. Hola, en la frase
    “este efecto fue anticipado por Sauter y posteriormente estudiado por Heisenberg y Euler”
    debe haber algún error.
    Leonard Euler, (1707-1783) no es posterior a Fritz Sauter, (1906-1983)
    Difícilmente Euler pudo anticipar nada de este tema, de lo que deduzco que os queríais referir a otro,…

  8. En el vacio D y E son los mismos, pero en clasica, ya que el vacio esta vacio. Pero si pueden aparecer particulas cargadas entonces se puede polarizar: El positron tiende a estar mas cerca de la placa negativa que el electron que tendera a la placa positiva. El resultado sera que hay un momento dipolar asociado a esas cargas como consecuencia de campo E y ahora los campos E y D no van a coincidir como en clasica.

    ¿No?

    Disculpa mi otra critica.

    • En este contexto lo que tenemos también es un vacío. Lo que ocurre es que parte de la energía que el campo inyecta en el mismo se gasta en hacer aparecer partículas. El campo actúa como una perturbación externa de un medio vacío (ni conductor, ni dieléctrico), además en el cálculo, como siempre en cuántica, trabajamos con el potencial y no con el campo en si mismo.

      En breve intentaré poner una derivación simple y formal de este efecto.

      Nada que disculpar, las críticas siempre son sanas y las contrarréplicas también 🙂

  9. Interesante artículo. Una pregunta: ¿Aunque los electrones y positrones generados en el vacío y puestos de manifiesto por un campo electrico, sean particulas virtuales, su aniquilación en el vacío (sin campo eléctrico) no debería generar un fotón de 1,02 MeV?
    Saludos.

  10. Pingback: Schwinger, ¿de dónde salen estas ...

  11. Pingback: Partículas | Annotary

  12. Decir que estoy un poco harto de que no termines casi nunca los articulos y siempre se acabe con un …”a dormir que mañana sera otro dia”.. Me haceis sentir como un nene pequeño.

    De lo que dices parece deducirse que el vacio es polarizable ademas de ser siempre conductor. Si la polaridad del vacio se socia con:

    D= epsilon_0· E

    ¿Que es el E puesto que el D es el campo electrico clasico que se mide?.¿El campo desnudo? ¿Que es el campo desnudo?

    • Vamos a ver, los artículo no son infinitos y no puedo explicarlo todo a gusto de todos ni a todos los niveles. Además de que creo que en este blog siempre intento que haya entradas a diferentes niveles de profundidad. Por otro lado, en esta entrada he explicado lo que quería explicar, el efecto, sin dejar nada. Evidentemente no he entrado en el formalismo.

      Respecto a tus preguntas:

      En el vacío E y D son lo mismo. Por otra parte este es un efecto no perturbativo de la electrodinámica cuántica. Su cálculo no es trivial del todo.

      Lo siento mucho pero no entiendo ni la crítica ni las preguntas.

  13. Una duda: ¿tiene lo que se comenta en este artículo relación alguna con el Efecto Casimir?

  14. Pingback: Schwinger, ¿de dónde salen estas partículas?

  15. Pingback: Schwinger, ¿de dónde salen estas partículas? | Ciencia y Arte

  16. Pingback: Schwinger, ¿de dónde salen estas ...

  17. Muy interesante.

    Me parece adecuado hacer alguna observaciones que tienen que ver con la direccionalidad de la lógica usada. En varias ocasiones se lee que la teoría le dice como comporatrse a la naturaleza, y -como sabemos- esto no es así. Dos ejemplos:
    1. El hecho de que los pares de partícula-antipartícula puedan ser creados en el vacío no se debe a que ‘la teoría deba ser consistente’; a la naturaleza no le interesa si nuestras teorías son o no consisistentes.
    2. Heisenberg, a través de su principio de indeterminación no obliga a nada. El estado tiene una energía perfectamente determinada (aunque esté cambiando), lo de Heisenberg tan sólo dice que nosotros nunca lo podremos saber, y explica que si hay fluctuaciones estas no violan la ley de conservación de energía porque nunca sabremos cuanta energía hay.

    Finalmente, en este campo se da mucho el uso de anglicismos, y aunque algunos son necesarios (espín, etc.) algunos son incorrectos. Un ejemplo de su texto:
    1. En “Asumiremos a partir de ahora que ..”, usted quiere decir “Supondremos a partir …”. Recuerde que se puede asumir un poder más nunca una suposición.

    Buen trabajo.

    • Gracias por las puntualizaciones, pero permíteme responder a algunos puntos:

      El hecho de que los pares de partícula-antipartícula puedan ser creados en el vacío no se debe a que ‘la teoría deba ser consistente’; a la naturaleza no le interesa si nuestras teorías son o no consisistentes.

      En esto estoy de acuerdo. Sin embargo, y quizás no lo haya dejado claro en el texto, me refería a que la teoría predice estas creaciones/destrucciones por consistencia interna y que eso está de acuerdo con la experiencia. Quizás debería de haberlo aclarado, se nota demasiado el sesgo teórico que llevo encima.

      l estado tiene una energía perfectamente determinada (aunque esté cambiando), lo de Heisenberg tan sólo dice que nosotros nunca lo podremos saber, y explica que si hay fluctuaciones estas no violan la ley de conservación de energía porque nunca sabremos cuanta energía hay.

      En esto no estoy de acuerdo. Hay estados sin energía determinada. Solo los estados propios de los Hamiltonianos tienen una energía definida.

      El principio de indeterminación, que es un teorema, obliga (y hay que entender el uso de esta palabra en este contexto) a asumir que hay pares de magnitudes que no están simultáneamente determinadas. No es por falta de habilidad para conocerlas o medirlas experimentalmente, es que no están definidas a la vez.

      En “Asumiremos a partir de ahora que ..”, usted quiere decir “Supondremos a partir …”. Recuerde que se puede asumir un poder más nunca una suposición.

      Para mí son expresiones sinónimas, pero sí, se podría haber dicho de la otra manera.

      Un saludo y gracias de nuevo.

    • El objetivo: slmaiur el big bang a pequef1edsima escala, la explosif3n que ocurrif3 hace 15.000 millones de af1os y que dio origen al universo. De esta manera, los 10.000 cientedficos de 85 paedses que trabajan en el LHC esperan resolver las grandes cuestiones: de df3nde viene todo y cf3mo hemos llegado hasta aqued, de que9 este1 hecho el mundo y por que9 todo es como es.Incf3gnitas* La creacif3n de un agujero negro estable* La creacif3n de materia exf3tica sfaper masiva, tan estable como la materia ordinaria.* La creacif3n de monopolos magne9ticos (previstos en la teoreda de la relatividad) que pudieran catalizar el decaimiento del protf3n* La activacif3n de la transicif3n a un estado de vacedo cue1ntico.puede el acelerador de partedcula destruir la tierra?NOla respuesta es contundente ya que la creacif3n de estos suponen una fuerza tan minfascula que es muy difedcil casi imposible que pueda destruir la tierra.esto que se dice de destruccif3n es el mido por lo nuevo lo desconocido y sin duda son pioneros en ello pero como siempre detre1s de estos rumores esta la iglesia y los cientedficos con ideas muy costumbristas a la ordenes eclesie1sticas. yo solo digo que si la persona que pensf3 en subir a la luna no lo hubiesen desarrollado por miedo , que si el primer hombre no hubiese frotado dos silex para crear fuego o el inventor de el ordenador no hubiese tenido esa idea todaveda estaredamos cazando con taparrabos a merce de los leones o vete saber.Un saludo

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s