22.1 Electromagnetismo
La electrodinámica cuántica (QED) fue la primera teoría de campo cuántico que se descubrió. QED describe el campo electromagnético, que está relacionado con la fuerza electromagnética, la fuerza que transporta la carga eléctrica. Todas las partículas cargadas, incluidos los protones y los electrones, interactúan a través de la fuerza electromagnética.
La fuerza electromagnética es aproximadamente 10 39 (10,000, billones, billones, billones, billones) veces más fuerte que la fuerza de la gravedad, pero no afecta objetos grandes muy a menudo. Esto se debe a que la mayoría de las cosas tienen cargas que se cancelan entre sí, haciéndolas neutrales, mientras que la gravedad siempre afecta todo con la masa. [1]
22.2 Electrodinámica cuántica (QED)
22.2.1 Paul Dirac y antimateria
Paul Dirac acuñó el término “electrodinámica cuántica” en 1927 cuando proporcionó una teoría cuántica del campo electromagnético que explicaba cómo un átomo puede decaer a un estado más bajo y, por lo tanto, menos energético, y seguir las leyes de conservación de la energía. [2]
Dirac demostró que el átomo hace esto emitiendo el exceso de energía en forma de fotón. Lo hizo tratando el campo electromagnético como si fuera un gas compuesto por fotones que actúan como osciladores armónicos (discutido en el Libro I).
Dentro de un año, Dirac publicó su teoría relativista del electrón, que combinaba la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein [3] (discutido en el Libro I ) Esto demostró que el electrón tiene un giro de +1/2 o -1/2 y predijo, no solo la existencia del antielectrón, un electrón con una energía negativa y, por lo tanto, un giro y carga opuestos, sino que todas las partículas tienen su correspondiente socios antimateria.
La materia y la antimateria se aniquilan entre sí al contacto, y la masa total de las partículas se convierte en energía cinética de acuerdo con la relatividad especial.
En 1932, dentro de los cuatro años de la predicción de Dirac, el físico estadounidense Carl David Anderson descubrió antielectrones, que llamó positrones, a partir de pistas producidas por rayos cósmicos, el nombre dado a la radiación de energía extremadamente alta que proviene del espacio, dentro de Una cámara de nubes. [4]
Detectores de partículas
Los detectores se utilizan para detectar la energía y la carga de partículas de alta energía. Antes de la invención de los aceleradores de partículas, esto incluía radiación de elementos radiactivos y rayos cósmicos.
Cámaras en la nube
Una cámara de nubes se compone de una jarra de alcohol gaseoso que se enfría en el fondo con hielo seco. Cuando una partícula cargada altamente energética se mueve a través de este gas, elimina electrones de los átomos que pasa, dejándolos cargados positivamente. Los átomos neutros en el gas se condensan a su alrededor y a lo largo del camino de la partícula cargada. Si se coloca un campo magnético a través de la cámara, desviará el camino de las partículas cargadas.
El físico británico Charles Thomson Rees Wilson inventó la cámara de nubes en 1911, [5] y la física austriaca Marietta Blau mostró cómo la energía y la carga de la partícula se puede determinar a partir de la forma de la pista, que podría fotografiarse. [6]
Cámaras de burbujas
La cámara de la nube se volvió algo obsoleta en 1952 cuando el físico estadounidense Donald Glaser inventó la cámara de burbujas. [7] Las cámaras de burbujas funcionan de la misma manera que las cámaras de nubes, pero aquí las partículas cargadas de energía viajan a través de un líquido sobrecalentado, un líquido calentado por el cambio de presión, como un líquido hidrógeno, en lugar de un gas frío, y el líquido comienza a hervir alrededor de los átomos ionizados que se forman a lo largo del camino de las partículas cargadas.
Contadores proporcionales
Los contadores proporcionales fueron inventados por el físico británico Samuel Curran en 1948. [8] Estos combinan un tubo Geiger Müller, el sensor utilizado en los contadores Geiger, que fueron desarrollado en la década de 1920 [9] – con una cámara de ionización – que mide la carga de iones creados por partículas cargadas de alta energía. Estos fueron desarrollados en el siglo XIX. [10]
En contadores proporcionales, las partículas cargadas de alta energía viajan a través de un gas. Esto elimina los electrones de los átomos de los gases, dejando electrones libres e iones positivos. Los electrones libres son atraídos hacia el electrodo cargado positivamente, el ánodo, y los iones cargados positivamente hacia el electrodo negativo, el cátodo. El movimiento de estas partículas crea un efecto de avalancha, donde ionizan otras partículas hasta que haya suficientes para crear un campo eléctrico medible. La posición de la partícula se puede determinar a partir del tiempo que tardan las partículas negativas y positivas en alcanzar sus electrodos correspondientes.
Cámaras de alambre
El físico francés Georges Charpak desarrolló la cámara proporcional de cables múltiples, conocida como la cámara de cables, en 1968 mientras trabajaba en el CERN. [11] Estas pronto reemplazaron las cámaras de burbujas porque podían detectar partículas más rápidamente y podían conectarse a una computadora para que los datos no tuvieran que ser examinados físicamente de la misma manera que las fotografías de las cámaras de burbujas.
La cámara proporcional de cables múltiples de Charpak estaba compuesta de muchos cables delgados colocados uno al lado del otro. Mostró que cada cable se comporta como un contador proporcional. Esto significa que la cámara de alambre se puede utilizar para detectar cientos de partículas por segundo, lo que condujo a mediciones más precisas de la posición de las partículas.
22.2.2 Electrodinámica cuántica temprana
Otros físicos, incluido Wolfgang Pauli, [12] Eugene Wigner, [13] Pasc Jordan, [14] Max Born, Werner Heisenberg, [15] , y Enrico Fermi ] [16] , ayudó a extender la idea de Dirac para formar la base de la teoría moderna QED.
Si bien los fotones pueden considerarse partículas y ondas, QED trata a los fotones como partículas que “transportan” la fuerza electromagnética. Las partículas cargadas interactúan emitiendo y absorbiendo fotones. Los fotones no experimentan la fuerza electromagnética por sí mismos, por lo que no interactúan entre sí, pero los efectos del electromagnetismo son producidos por la energía y el impulso que transportan. [17]
Los fotones que llevan la fuerza se conocen como partículas “virtuales”. Las partículas virtuales se crean en el instante en que una partícula emite o absorbe un fotón, la energía total y el impulso del sistema son los mismos antes y después, pero el principio de incertidumbre de Heisenberg permite que exista energía ‘extra’ en forma de partícula durante un breve período de tiempo. período de tiempo. [18] Cada partícula virtual puede considerarse como un oscilador armónico, donde la fuerza del campo viene dada por el desplazamiento desde su posición de reposo.
Las partículas virtuales existen durante tan poco tiempo que son esencialmente invisibles y solo pueden detectarse por el efecto que tienen sobre la partícula que las emite o las absorbe. Por lo tanto, los fotones portadores de fuerza son diferentes de los fotones producidos por otros medios, como la fusión nuclear, que podrían existir para siempre. [19]
Los diagramas de Feynman representan las posibles formas en que las partículas cargadas pueden interactuar mediante el intercambio de fotones virtuales. Estos fueron ideados por Richard Feynman en las décadas de 1940 y 1950. [20] Los diagramas de Feynman muestran una trama de tiempo y espacio con líneas rectas utilizadas para representar fermiones, como electrones, y líneas onduladas para representar bosones, como fotones virtuales. Las antipartículas se representan como partículas normales que se mueven hacia atrás en el tiempo.
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Figura 22.1 |
Un diagrama de Feynman que muestra cómo un electrón cambia de trayectoria cuando emite un fotón. |
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Figura 22.2 |
Un diagrama de Feynman que muestra un electrón que emite un fotón y un segundo electrón que lo absorbe. |
En 1932, el físico británico Patrick Blackett y el físico italiano Giuseppe “Beppo” Occhialini demostraron que los fotones pueden producir positrones y electrones en pares si son lo suficientemente energéticos. [21] Lo hicieron al mejorar la eficiencia de los registros de la cámara de nubes al vincular la cámara con los contadores Geiger que activan una cámara cuando llega una partícula.
22.2.3 Problemas con la electrodinámica cuántica temprana
En 1939, el físico estadounidense Robert Oppenheimer, [22] el físico suizo Felix Bloch y el físico estadounidense Arnold Nordsieck, [19459089 ] [23] y el físico austriaco-estadounidense Victor Weisskopf [24] habían demostrado que esta versión de QED no podía ser completamente correcta . Esto se debe a que condujo a la predicción de que la energía, la masa y la carga de un solo electrón son infinitas, lo que obviamente no coincide con nuestras observaciones.
Los físicos estadounidenses Willis Lamb y Robert Retherford encontraron otro problema con QED en 1947. [25] Lamb y Retherford midieron líneas de hidrógeno en el espectro de microondas para estudiar el diferencia de energía entre los ℓ = 0 y ℓ = 1 estados (discutido en Capítulo 11 ). Se predijo que los dos estados deberían tener energías iguales, pero un campo magnético podría inducir una diferencia de energía entre ellos.
Lamb y Retherford midieron esta diferencia y luego calcularon cuál sería la diferencia si no hubiera campo magnético. Para su sorpresa, no fue cero. Los dos estados no tenían energías iguales después de todo. Esta diferencia se conoce como el cambio Lamb, y actualmente no se podría explicar con QED.
22.2.4 Renormalización
En la Conferencia de Shelter Island sobre Mecánica Cuántica de 1947, que tuvo lugar en Long Island, Nueva York, más de 20 físicos, incluidos Lamb, Oppenheimer, Feynman, Hans Bethe y los físicos estadounidenses Julian Schwinger y David Bohm, discutieron cómo podrían Resuelve estos problemas. [26]
En el viaje en tren a casa, Bethe se dio cuenta de que los valores infinitos podían eliminarse en un proceso conocido como renormalización, donde los infinitos se cancelan, dejando solo los valores medidos. [27] Esta teoría fue desarrollada por Schwinger, [28,29] Feynman, [20,30] y el físico japonés Sin’ichirō Tomonaga [31,32] [19459009 ] a finales de la década de 1940. El físico estadounidense Freeman Dyson demostró más tarde que todos estos enfoques son equivalentes. [33]
El problema del desplazamiento de Lamb se resolvió con la comprensión de que se necesitaban diferentes correcciones para ℓ = 0 y ℓ = 1 estados, ya que difieren en su distancia promedio del núcleo.
22.3 Energía de punto cero y el efecto Casimir
Las teorías de campo cuántico establecen que todos los campos fundamentales deben cuantificarse en cada punto del espacio. Esto significa que las partículas virtuales entran y salen constantemente de la existencia en casi todas partes. El cambio temporal de energía en un punto en el espacio-tiempo se conoce como fluctuación cuántica. El exceso de energía se conoce como energía de punto cero o energía de vacío. [34] Este exceso de energía debería agregarse a la densidad de energía del universo (discutido en el Libro I).
Si el espacio-tiempo es infinitamente divisible, entonces debería producir una cantidad infinita de energía, sin embargo, este no parece ser el caso. Probablemente no entenderemos cómo la energía del vacío afecta la densidad de energía del universo hasta que hayamos desarrollado una teoría de la gravedad de campo cuántico (discutido en Capítulo 25 ).
En 1948, los físicos holandeses Hendrik Casimir y Dirk Polder descubrieron el efecto Casimir, que demuestra fuerzas medibles, posiblemente derivadas de la energía del vacío. [35] Casimir y Polder mostraron que si dos placas de metal sin carga se colocan lo suficientemente juntas en el vacío, y luego se juntan ligeramente, comenzarán a atraer cada una otro.
Esto se debe a que la energía de vacío entre las placas contiene contribuciones de todas las longitudes de onda completas que encajan en el espacio entre las placas. A medida que se juntan, se excluyen más longitudes de onda, y la presión de radiación entre las placas disminuye, uniendo las placas.
Este efecto se vuelve dominante si las placas están separadas por menos de un micrómetro (una milésima de milímetro) y fue demostrado por primera vez por el físico Steve Lamoreaux en 1997. [36] [19459012 ]
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Figura 22.3 |
Una ilustración del efecto Casimir, que hace que las placas de metal se atraigan entre sí. |
En 1961, los físicos rusos Igor Ekhiel’evich Dzyaloshinskii, Evgeny Lifshitz y Lev Pitaevskii predijeron que si el medio entre las dos placas no es un vacío, entonces se pueden fabricar algunos materiales para repeler entre sí a través del efecto Casimir. [37] Esto se mostró experimentalmente en 2009. [38]
Algunos sostienen que el efecto Casimir no proporciona evidencia de la energía del vacío, ya que también se puede explicar en términos de las fuerzas relativistas de Van der Waals. [39] Estas son las fuerzas entre los átomos neutros, que el físico alemán Fritz London les dio en 1930. [40]
Las fuerzas cuánticas de van der Waals se producen porque las cargas negativas de los electrones en un átomo y la carga positiva del núcleo no siempre están en el mismo lugar entre sí. La fluctuación de la carga puede dar lugar a fuerzas atractivas entre los átomos, en este caso, los átomos que forman las placas metálicas.
En 1981, los físicos rusos Viatcheslav Mukhanov y Gennady Chibisov mostraron que las fluctuaciones cuánticas estaban presentes durante la época inflacionaria del universo primitivo [41] (discutido en el Libro YO). Estas fluctuaciones se expandieron durante la inflación, y esto puede explicar la asimetría en el espacio-tiempo que llevó a los objetos a unirse gravitacionalmente, creando estructura en el universo.
22.3.1 Agujeros negros y radiación de Hawking
Las partículas virtuales generalmente se crean con un compañero de antimateria y se aniquilan entre sí casi al instante. Sin embargo, una partícula virtual puede convertirse en “real” si se elimina de su anti-compañero y obtiene la cantidad de energía requerida de una fuente externa. En 1974, el físico británico Stephen Hawking demostró que esto es lo que sucede al borde de los agujeros negros [42] (discutido en el Libro I).
Para un observador a ambos lados, la producción constante de partículas haría que pareciera que el agujero negro emitiera radiación, por lo que este efecto se conoce como radiación de Hawking. Hawking demostró que los agujeros negros comenzarán a evaporarse y eventualmente desaparecerán cuando contengan más radiación de Hawking que materia y energía.
22.3.2 La paradoja de la información del agujero negro
Los agujeros negros solo tienen masa y, a veces, carga y momento angular, pero no retienen información sobre la materia que los formó. Si los agujeros negros existieran para siempre, entonces se consideraría que esta información existe dentro del agujero negro. Si se evaporan emitiendo radiación de Hawking, entonces esta información parece perderse para siempre.
En la mecánica cuántica, la pérdida de información viola la unitaridad, que es otra forma de decir que viola la conservación de la probabilidad porque hace que la suma de probabilidades de todos los posibles resultados cuánticos sea diferente de uno. Esto puede significar romper las leyes de conservación de energía y se conoce como la paradoja de la información del agujero negro [43,44] (discutido en Capítulo 25 [ 19459012]).