Fluktuazio kuantiko

Fluktuazio kuantikoa, fisikaren mekanika kuantikoaren arloan, kokapen zehatz batean denboran zehar gertatzen den energia-kantitatearen aldaketa bat da. Fluktuazio horien jatorria Fisika kuantikoaren eta erlatibitatearen printzipioen bateragarritasunaren ondorio zuzen bat da.

Teoria honen arabera, naturan agertzen diren hainbat fenomeno azal daitezke, hala nola, materiaren "sorkuntza" zulo beltzen gertaera-hortzimugan.

Huts Kuantikoa eta Ziurgabetasuna

Hutsa egoera bat da, non edozein aparatu seinalerik neurtu ezin duen.

Neurketa baten ziurgabetasuna

Fisika klasikoaren arloan neurtzeak ez du inongo zailtasunik funtsezko mailan, hau da, neurtzean ez bada ezer antzematen, ezer ez dagoela esan daiteke.

Fisika kuantikoan, aldiz, neurtzearen akzioa ez da erraza, eta ezberdintasun bat dago neur dezakegunaren eta benetan sistemaren egoeraren artean. Limitazio bat dago neurketaren zehaztasunean, neurgaiaren posizio eta abiaduraren balioak aldi berean neurtzean sortzen dena. Beraz, zenbat eta posizioari buruzko informazio gehiago izan, orduan eta abiadurari buruzko balioaren ziurgabetasuna handiagoa izango da (ikus 2. Irudia).

Ideia hori Werner Heisenberg-ek enuntziaturiko Ziurgabetasun printzipioak matematikoki erlazionatzen digu:

2. Irudia: Balio baten ziurgabetasuna.

$\Delta x\cdot \Delta p\geq {\frac {\hbar }{2}}$ Ikus daitekeenez $\Delta x$eta $\Delta p$alderantziz proportzionalak dira.

$h$ Planck-en konstantea da (sinplifikatzeko, $\hbar ={\frac {h}{2\pi }}$ idatz daiteke) Planck-en konstantearen balio ezaguna hau da

$h=\,\,6,626\ 0693(11)\times 10^{-34}\ {\mbox{J}}\cdot {\mbox{s}}\,\,=\,\,4,135\ 667\ 43(35)\times 10^{-15}\ {\mbox{eV}}\cdot {\mbox{s}}$

3. Irudia: Neurketa aparatua hartzen duen balio medioa (lerro gorria) neurgaiaren balio aldakorrarekin alderatuta (uhin koloreztatua).

Beraz hori guztia kontuan hartuta, ondoriozta dezakegu, nahiz eta gure neurgailuek baliorik ez neurtu, ez du esan nahi oreka batean dagoela, baizik eta gure neurgailuek ez direla gai neurgaia antzemateko. Honetarako kontuan hartu behar dugu gure neurgailuek balio medio bat hartzen dutela, non benetako balio uhinduaren haran eta pikuak anulatzen diren eta balio neurtua zero den. Honen ondorioz fluktuazio kuantikoen neurketa bertan behera uzten du. (Ikusi 3. Irudia)

Beste aldetik, neurkari baten presentzia neurgaian aldaketa bat eragiten du,

Partikulen Eredu Estandarra, Uhin-Partikula bikoiztasuna eta Energia-masa erlazioa

Eredu estandarra

Partikula elementalen Eredu Estandarra partikulen fisikako teoria bat da, ezagutzen ditugun partikula subatomiko guztiak sailkatu eta naturako indar ezberdinak azaltzeko sortu zena. Honen arabera partikula bakun batzuk existitzen dira, eta gehienei dagokien antipartikula bat. Adibidez, Elektroia eta bere antipartikula, Positroia.

Teorikoki auto-konsistentea dela uste den arren, eta esperimentu ezberdinen emaitzen gaineko aurreikuspen egokiak emateko gai dela demostratu den arren, hainbat fenomeno ez ditu azaltzen eta ez da, beraz oinarrizko elkarrekintza guztien teoria. Ez du grabitazioaren inguruko teoria osoa barneratzen erlatibitate orokorrak azaltzen duen bezala, eta ez du kontutan hartzen unibertsoaren hedapena (seguraski energia ilunaren teoria azaltzen duen bezala). Eredu honetan ez dago kosmologian ikusitako ezaugarri guztiak barneratzen dituen materia ilunik.

Eredu Estandarraren garapena fisiko teoriko eta esperimentalaren artean egin zen. Teorikoentzat Eredu Estandarra eremu kuantikoen teoriaren paradigma da, erakusten dituelako simetriaren hauste espontaneoak, anolamiak, portaera ez-perturbatiboa, etab... partikula hipotetikoak eta dimentsio gehigarriak gehitzeko erabiltzen da eta supersimetriabezalako fenomenoak garatzen dira bertatik abiatuta, Eredu Estandara eta materia iluna edo neutrinoen oszilazioak azaldu nahian.

Uhin-partikula bikoiztasuna

4. Irudia: Zilindroa bera ere metafora moduan erabil daiteke: ikuspuntuaren arabera, proiekzioak zirkulu edo lauki baten propietateak izan ditzake. Baina benetan zilindroa ez da bata ez bestea, baizik eta bi proiekzioen sortzailea.

Uhin-partikula bikoiztasunaren arabera, funtsezko partikulek izaera duala daukate, uhin izaera eta gorputz izaera. Horrek ez du esan nahi batzuetan uhin bat eta beste batzuetan gorputz bat denik, baizik eta izaera biak aldi berean dituela (ikus 4. Irudia).

Esan beharra dago, teoria hau erabilgarritasuna eta ulermenerako sortu den ideia dela, mundu kuantikoaren kontzeptu ez-intuitiboa ezagun ditugun bi kontzeptuekin ulertu ahal izateko (ikusi 5. Irudia)

5. Irudia: Nahiz eta kuantika kontzeptu intuituboekin ulertzeko bikoiztasuna erabiltzen den, ez da partikula eta uhinen aldiberekotasun bat eta ez da bien arteko alternantzia bat.

Beraz, termino uhinduetan edo gorpuzdunetan hitz egiten da fenomeno ezberdinak azaltzeko, hiru dimentsiotako izakien ulermen mugatura egokitzen den termino hoberena erabiliz.

Energia-masa erlazioa

Einsteinen ekuazioaren arabera, masa energiaren forma bat da: $E^{2}=(mc^{2})^{2}+(pc)^{2}$

Formula honen bariantea erabil dezakegu hau hobe ulertzeko, konkretuki partikularen abiadura nulua denean: $E=mc^{2}$

Beraz, ikus daiteke, Energia eta masa zuzenki proportzionalak direla, proportzionaltasun erlazio hori konstante bat izanik.

Partikula birtualak

Hutseko fluktuazio kuantikoak azaltzeko, partikula birtualak erabiliko dira, eredu estandarreko Elektroi eta Positroi (elektroiaren antipartikula) bana hartuko dugu. Beraz, bikoiztasunaren termino gorpuzdunetan hitz egingo da.

Termino hauetan hutsean espontaneoki energia bosoi batetik, partikula-antipartikula bikote bat sortzen dira, eta denbora izugarri txiki baten ondoren, berriz batu eta desintegratzen dira, energia bosoiak berriz igorriz. Sortze eta desintegratze prosezu hau denboran zehar hainbat alditan konstanteki errepikatzen da, beraz honek energiaren aldaketa denborarekiko sutatzen du. (Ikusi 6. Irudia)

Adibidez:

${\textstyle {\ce {\gamma -> e+ + e- -> \gamma}}}$

6. Irudia: Fotoi batek elektroi eta positroi bikote baten eraldaketa.

non:

${\ce {\gamma:}}$Fotoia (Bosoi bat)

${\textstyle {\ce {e- :}}}$Elektroia (leptoia)

${\textstyle {\ce {e+:}}}$Positroia (anti-leptoia)

Maiz, bikote-sorrera kontzeptuak fotoi batek nukleo baten inguruan sortzen duen elektroi-positroi bikoteari egiten dio aipamen. Bikote-sorrera gerta dadin, elkarrekintzaren hasierako energia atalase-maila baino handiagoa izan behar du; hau da, bosoiaren energiak gutxienez bikotearen pausaguneko masaren energia baino handiagoa izan behar du, eta horrez gain, energiaren eta momentu linealaren kontzerbazioa eman behar da. Gure kasu honetan partikula birtualei buruz gaudenez, ez da behar nuekleo baten inguruan egon behar, baizik eta huts kuantikoan eman daiteke.

Energiaren bariazioa

Sorkuntza hau gauzatzeko energia bat kontsumitu behar da, materia eta antimateria pareetan bihurtzen dena (Einsteinen ekuazio erlatibisten araberakoa), eta ondoren berriz batzean berriz energia bihurtuko dira, hona hemen hutsean gertatzen diren energia aldaketak:

Elektroi-positroi bikote bat sortzeko fotoiaren energia gutxienez $2m_{e}c^{2}=2\times 0,511MeV=1,022MeV$izan behar da (non $m_{e}$elektroiaren masa eta $c$argiaren abiadura hutsean den), konkretuki gamma izpi bigunei dagokien energia balioa. Beste pare askoz masiboak, hala nola, protoi eta antiprotoi parea, gutxienez $1,88GeV$-etako energiadun fotoiak beharko lirateke (gamma izpi gogorrei dagokien energia balioa).

Elektroi-positroi sorkuntzaren lehenengo kalkuluak fotoi-fotoi talka bidez Lev Landau egin zituen 1934an. Hau aurresan zuen elektroi-positroi bikoteen sorkuntza partikula ultraerlatibista kargatuetan, ondoren esperimentalki frogatu dena.

Ondorioak

Nahiz eta fluktuazio hauek neurtu ezin diren, sorturiko ondorioak neurgarriak dira. Beste partikula eta energia higidurak perturbatuz.

Laburbilduz, hutsean ematen diren fluktuazio kuantikoak, aipatutako partikula-antipartikula bikoteen sorkuntza eta desintegrazioaren ondorioz ematen den energiaren aldaketa da.

Fisika kuantikoa Euskaraz

Artikulu honen bidez Espainiako trantsizio garaian agertu zen idei bat bertan behera uzten da. Ideia hau Fisika Kuantikoa Euskaraz ezin zela azaldu zioena. “no se puede dar clases de física cuántica en euskera” – Adolfo Suárez (1975~1978)

Gehiago sakontzeko:[ IFT ¿Qué son las partículas virtuales? | El vacío cuántico [1]]

Kanpo estekak

• Datuak: Q1193821
• Multimedia: Quantum mechanics / Q1193821