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: http://quevidaesta2010.blogspot.com/2018/10/que-es-la-materia.html y http://quevidaesta2010.blogspot.com/2018/11/que-es-la-materia-ii.html. 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 http://quevidaesta2010.blogspot.com/2018/10/que-es-la-materia.html).
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 venido a más.
