A veces descubro el punto débil de mis artículos en función de los correos electrónicos y los comentarios que reciben.
Un artículo popular que hicimos fue sobre la comprensión de Stephen Hawking de que los agujeros negros deben evaporarse en vastos períodos de tiempo. Hablamos sobre el mecanismo y mencionamos cómo existen estas partículas virtuales que aparecen y desaparecen.
Normalmente, estas partículas se aniquilan a sí mismas, pero en el borde del horizonte de eventos de un agujero negro, una partícula cae, mientras que otra es libre de vagar por el cosmos. Como no puedes crear partículas de la nada, el agujero negro necesita sacrificarse un poco de sí mismo para comprar la libertad de esta partícula recién formada.
Pero mi breve artículo no fue suficiente para aclarar exactamente qué son las partículas virtuales. Claramente, todos querían más información. ¿Qué son? ¿Cómo se detectan? ¿Qué significa esto para los agujeros negros?
En situaciones como esta, cuando sé que la Policía de Física está vigilando, me gusta llamar a un timbre. Una vez más, volveré y hablaré con mi buen amigo y el astrofísico que trabaja, el Dr. Paul Matt Sutter. Ha escrito artículos sobre temas como el Análisis Bayesiano del Amanecer Cósmico y las Simulaciones MHD de las salidas magnéticas. Él sabe lo que hace.
Fraser Caín:
Hola Paul, primera pregunta: ¿Qué son las partículas virtuales?
Paul Matt Sutter:
Bien. Sin presión, Fraser. Bien bien.
Para obtener el concepto de partículas virtuales, en realidad hay que dar un paso atrás y pensar en el campo, especialmente el campo electromagnético. En nuestra visión actual de cómo funciona el universo, todo el espacio y el tiempo se llena con este tipo de campo de fondo. Y este campo puede tambalearse y tambalearse, y a veces estas se mueven como ondas que se propagan hacia adelante, y llamamos a estas ondas fotones o radiación electromagnética, pero a veces solo puede sentarse allí y sabes bloop bloop bloop, solo sabes pop entra y sale, o sube y baja, y hierve un poco por sí solo.
De hecho, todo el espacio de tiempo se mueve y se tambalea alrededor de este campo, incluso en el vacío. Un vacío no es la ausencia de todo. El vacío es justo donde está este campo en su estado de energía más bajo. Pero a pesar de que está en ese estado de energía más bajo, aunque tal vez en promedio no haya nada allí. No hay nada que lo detenga de solo bloop bloop bloop que sabes burbujeando.
Entonces, en realidad, el vacío está hirviendo con estos campos. En particular, el campo electromagnético, del que estamos hablando ahora.
Y sabemos que los fotones, esa luz, pueden convertirse en pares de partículas, antipartículas. Puede convertirse en digamos un electrón y un positrón. Simplemente puede hacer esto. Puede sucederle a los fotones normales, y puede sucederle a este tipo de fotones temblorosos temporales.
Entonces, a veces un fotón o, a veces, el campo electromagnético puede propagarse de un lugar a otro, y lo llamamos un fotón. Y ese fotón se puede dividir en un positrón y un electrón, y otras veces puede simplemente tambalearse en su lugar y luego tambalearse POP POP. Aparece en un positrón y un electrón y luego chocan entre sí o lo que sea, y simplemente vuelven a hervir. Entonces, wibble wobble, pop pop, fizz fizz es algo que sucede en el vacío todo el tiempo, y ese es el nombre que le damos a estas partículas virtuales son solo el tipo normal de fondo borroso o fondo estático al vacío.
Fraser:
Bueno. Entonces, ¿cómo vemos evidencia de partículas virtuales?
Pablo:
Sí, buena pregunta Sabemos que el vacío tiene una energía asociada. Sabemos que estas partículas virtuales siempre entran y desaparecen por algunas razones.
Una es la transición del electrón en diferentes estados del átomo. Si excita el átomo, el electrón emerge a un estado de energía más alto. No hay ninguna razón para que ese electrón regrese a un estado de energía más bajo. Ya esta ahí. En realidad es un estado estable. No hay razón para que se vaya a menos que haya pequeñas oscilaciones de wibble en el campo electromagnético y pueda reírse alrededor de ese electrón y sacarlo de ese estado de energía superior y enviarlo a un estado inferior
Otra cosa se llama el desplazamiento del cordero, y esto es cuando el campo electromagnético tambaleante o las partículas virtuales interactúan nuevamente con los electrones en un átomo de hidrógeno. Puede empujarlos suavemente, y este cambio afecta algunos estados del electrón y no otros estados. Y en realidad hay estados que diría que tienen exactamente las mismas propiedades de energía, son idénticos, pero debido a que el Cambio de Cordero, debido a este campo electromagnético tambaleante e inestable, interactúa con uno de esos estados y no con el otro, en realidad cambia sutilmente los niveles de energía de esos estados a pesar de que cabría esperar que sean completamente iguales.
Y otra evidencia es la dispersión de fotones de fotones, generalmente dos fotones simplemente, phweeet, vuelan uno al lado del otro. Son eléctricamente neutros, por lo que no tienen motivos para interactuar, pero a veces los fotones pueden tambalearse en pares de electrones / positrones, y ese par de electrones / positrones puede interactuar con los otros fotones. Así que a veces rebotan entre sí. Es muy raro porque tienes que esperar a que se produzca el bamboleo de wibble en el momento justo, pero puede suceder.
Fraser:
Entonces, ¿cómo interactúan con los agujeros negros?
Pablo:
Muy bien, este es el meollo del asunto. ¿Qué tienen que ver todas estas partículas virtuales o campos electromagnéticos tambaleantes y temblorosos con los agujeros negros, y específicamente con la radiación de Hawking? Pero mira esto. La formulación original de Hawkings de esta idea de que los agujeros negros pueden irradiar y perder masa en realidad no tiene nada que ver con partículas virtuales. O no habla directamente sobre pares de partículas virtuales, y de hecho ninguna otra formulación o concepción más moderna de este proceso habla sobre pares de partículas virtuales.
En cambio, hablan más sobre el campo en sí y específicamente sobre lo que le sucede al campo antes de que el agujero negro esté allí, lo que le sucede a medida que se forma el agujero negro y luego lo que le sucede al campo después de que se forma. Y de alguna manera hace una pregunta: ¿Qué pasa con estos pedazos tambaleantes del campo, como la naturaleza transitoria del tipo de vacío del campo electromagnético? ¿Qué le sucede mientras se forma ese agujero negro?
Bueno, lo que sucede es que algunas de las partes tambaleantes y temblorosas se quedan atrapadas cerca del agujero negro, cerca del horizonte de eventos mientras se está formando, y pasan mucho tiempo allí, y finalmente escapan. Por lo tanto, lleva un tiempo, pero cuando escapan debido a la intensa curvatura allí, la intensa curvatura del espacio-tiempo, pueden ser potenciados o promovidos. Entonces, en lugar de ser temporalmente tambaleantes, en el campo, son impulsados para convertirse en partículas "reales" o fotones "reales". Entonces, es realmente como una interacción de la formación del agujero negro en sí mismo con el campo de fondo tambaleante y tambaleante, que finalmente se escapa porque no está completamente atrapado por el agujero negro.
Eventualmente se escapa y se convierte en partículas reales, y puede calcular como sucede con, por ejemplo, el número esperado de partículas cerca del horizonte de eventos del agujero negro. La respuesta es el número negativo, lo que significa que el agujero negro está perdiendo masa y escupiendo partículas.
Ahora, esta popular concepción de pares de partículas virtuales aparece y queda atrapada dentro del horizonte de eventos. Eso no está exactamente relacionado con las matemáticas de la radiación de Hawking, pero tampoco está exactamente mal. Recuerde que los wibbly wobbly’s en el campo electromagnético están relacionados con estos pares de partículas y antipartículas que constantemente aparecen y desaparecen. De alguna manera van de la mano. Entonces, al hablar de wibbly wobbly’s en el campo, también estás hablando de la producción de partículas virtuales. Y no son exactamente las matemáticas, pero ya sabes lo suficientemente cerca.
Fraser:
De acuerdo, y finalmente, Paul. Necesito que hagas volar al azar las mentes de los espectadores. ¡Algo sobre partículas virtuales que es simplemente increíble!
Pablo:
Bien. ¿Entonces quieres doblegar las mentes de las personas? Todo bien. Estaba guardando esto para el final. Algo jugoso, solo para ti, Fraser.
Mira esto, es otra gran evidencia que tenemos sobre la existencia de estas fluctuaciones de fondo y la existencia de partículas virtuales, y eso es algo que llamamos el efecto Casimir, o Casimir Force.
Toma dos placas de metal neutro, y lo que sucede es que este campo que impregna todo el espacio-tiempo está dentro de las placas y está fuera de las placas. Dentro de las placas, solo puede tener ciertas longitudes de onda de modos. Casi como el interior de una trompeta solo puede tener ciertos modos que producen sonido. Los extremos de las longitudes de onda deben conectarse a las placas, porque eso es lo que las placas de metal hacen a los campos electromagnéticos.
Fuera de las placas, puede tener la longitud de onda que desee. No importa.
Por lo tanto, significa que fuera de las placas tienes un número infinito de posibles longitudes de onda de modos. Todo tipo de fluctuación posible, la oscilación de wibble en el campo electromagnético está ahí, pero dentro de las placas solo hay ciertas longitudes de onda que pueden caber dentro de las placas.
Ahora, afuera hay un número infinito de modos. En el interior, todavía hay un número infinito de modos, solo un poco menos número infinito de modos. Y puede tomar el infinito en el exterior y restar el infinito en el interior, y en realidad obtener un número finito, y con lo que termina es una presión o una fuerza que une las placas. Y en realidad hemos medido esto. Esto es algo real, y sí, no estoy bromeando, puedes tomar infinito menos un infinito diferente y obtener un número finito. Es posible. Un ejemplo es la constante Euler Mascheroni. ¡Te reto a que lo busques!
Así que ahí lo tienes, ahora espero que entiendas qué son estas partículas virtuales, cómo se detectan y cómo contribuyen a la evaporación de un agujero negro.
Y si aún no lo ha hecho, asegúrese de hacer clic aquí e ir a su canal. Encontrarás docenas de videos que responden preguntas igualmente alucinantes. De hecho, envíe sus preguntas y él podría hacer un video y responderlas.
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