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Titolo: il termine virtuale... in che senso?

Come č da intendere il termine "virtuale" usato in fisica?
facciamo un esempio, quando si parla di particelle virtuali si intende
1) particelle che esistono, ma visto che cosě come esistono muoiono, la loro
esistenza non influisce su nulla
2) particelle che non esistono, ma se esistessero non andrebbero contro
nessuna legge fisica quindi teoricamente si puň ammettere la loro esistenza
oppure
3) la situazione č talmente complicata che non si puň dare una definizione
tanto rigorosa
Ciao, Alberto
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www.fisica.go2.it
La divulgazione scientifica
      diventa facile!!!!!!
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  Avevi quasi azzeccato con 2). la risposta giusta e'
   particelle che non esistono, perche' se esistessero  andrebbero contro
   le leggi di conservazione dell'energia e impulso. 
  La loro natura, secondo me, e' solo matematica, servono ad interpretare
  intuitivamente certi diagrammi ma non hanno una vera natura fisica.
  Ciaoi, Valter

   Ciaoi, Valter


Ciao, no c'e' un malinteso: le particelle che cercano e trovano sono
REALI!  Le particelle virtuali non c'entrano niente!!!
Nella teoria dei campi quantistica si procede come segue per descrivere
i processi di diffusione (scattering) che poi si osservano negli
acceleratori.
Ci sono particelle in entrata, non interagenti  a t -> -oo
che "collidono" e interagiscono in una certa regione dello spazio,
e danno luogo  a particelle in uscita "libere a t->+oo" che possono 
essere dello stesso tipo di quelle in entrata oppure diverse. 
Il concetto di particella in realta' puo' essere definito per bene solo a tempi 
molto precedenti all'interazione e molto successivi ad essa (si parla di 
"completezza asintotica degli stati di particella libera" dello spazio di Fock).
Nell'intermezzo c'e' solo uno "stato quantistico" che puo' essere descritto 
in vari modi ed in particolare, riguardo a certe specifiche grandezze
che si vogliono osservare, e' possibile *sviluppare matematicamente*
tali grandezze come "sovrapposizioni" di processi di particelle "virtuali"
libere come ora spieghero'.
Feynman ha inventato questa tecnica rappresentando i processi con dei diagrammini 
rappresentati storie di particelle nello spaziotempo. Ci sono delle linee entranti
che rappresentano le particelle *reali* che entrano nella regione temporale dove 
avviene il processo a collidere, c'e' quindi un groviglio di altre linee che connettono
le prime linee a vari "vertici" (e questi vertici rappresentano le interazioni locali) 
ed infine dopo una serie *infinita* di grovigli si arriva alle linee in uscita dal diagramma,
che rappresentano le particelle *reali* in uscita dal processo di scattering.
Ad ognuno dei termini del disegno si puo' associare un numero e la combinazione
di tutti questi termini (che produce una serie numerica infinita) fornisce 
il risultato finale che ci interessa e si puo' misurare.
Cio' che si puo' osservare direttamente e che ha senso fisico nella rappresentazione
di Feynman sono *solo* le linee in *entrata e in uscita*. 
A parte il corrispondente valore numerico ci si puo' chiuedere che significato
dare alle linee  intermedie che formano la rappresentazione di Feynman dell'interazione? 
Secondo me non ha molto senso la domanda visto che stiamo parlado di cose che per 
principio non sono osservabili (come diro' tra berve) e che solo il loro effetto globale 
ha senso e visto che per l'economia della  teoria la domanda non serve a niente. 
Comunque lo stesso Feynman ha dato una risposta: le linee intermedie rappresentano 
particelle "virtuali". Perche' virtuali? Perche' se uno prende sul serio questi disegni come
rappresentati linee di univesro di particelle reali scopre che tali particelle
violano tutti i principi di conservazione (energia, impulso, momento angolare) e
per tale ragione non sono osservabili direttamente, e solo *tutto il processo* non
viola tali leggi.
L'interpretazione a particelle virtuali e' utilissima perche' mette su un piano
intuitivo (e Feynman era un genio anche in questo) dei lunghi e laboriosi
calcoli matematici e permette di vedere a colpo d'occhio delle relazioni
difficili da intuire matematicamente.
Tuttavia le tecniche sviluppate da Feynman non si possono usare indiscriminatamente, 
fanno parte della "teoria perturbativa" dei campi ed e' ben noto che non funziona sempre 
(per esempio in cromodinamica bisogna elaborarla molto perche' sia utile, in gravita' 
non serve praticamente a niente perche' la gravita' non e' una teoria "rinormalizzabile",
ma quiesto e' un altro discorso).
Che ne dici ora?
Ciao, Valter

...


 facciamo un esempio, quando si parla di particelle virtuali ...
In generale virtuale si intende contrapposto a "reale". P. es. in
meccanica classica, esiste il principio dei lavori virtuali dove l'
aggettivo ha un significato tecnico preciso che contrappone i lavori
compiuti dalle forze che agiscono sul sistema in una situazione non
reale a "vincoli congelati" ai lavori effettivamente compiuti nella
dinamica reale del sistema.
Siccome pero' immagino che la tua domanda abbia piu' a che fare con il
concetto di particelle virtuali, ti rimando ad una breve pagina in
inglese che chiarisce il significato dell' aggettivo virtuale in questo
ambito.
http://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory/virtual.html
ciao 
Giorgio

   Ciaoi, Valter
Opinione interessante... da matematico direi :)
Mi chiedo che senso ha definire "particelle", in un ambito
fisico-matematico, enti che non dovrebbero avere una vera
natura fisica?
Scusa ma leggendo il tuo post mi sembra di intuire che la fisica oramai sta
diventando solo matematica
teorica pura ovvero tra poco la natura non sara' piu' indagabile tramite la
verifica sperimentale ma solo
attraverso la logica matematica. C'e' qualcosa che non va nella fisica di
oggi o la ricerca sta prendendo
veramente questa strada? Ho capito male?
Ciao Atomo.


Bhe, forse il discorso e' un po' piu' sottile:
Non sono un filosofo e non mi voglio avventurare in questioni
ontologiche, ma mi sembra che dovremmo stare un po' attenti quando adoperiamo
le espressioni "esiste" o "non esiste".
Quando studiavo QED, mi disturbava l'idea di queste particelle virtuali. Ci ho
pensato
su e sono arrivato a queste conclusioni:
Forse e' piu' giusto pensare che tutte le particelle osservabili (e percio'
esistenti) siano virtuali
e che e' la particella reale ad essere solo  un'astrazione.
Mi spiego con un esempio:
Se guardo una stella distante mille anni-luce, il fotone che arriva sulla retina
del mio occhio
e' un fotone reale o virtuale? Si dira': cosa c'e' di piu' reale di qualcosa che
si vede
con i propri occhi?
Eppure anche in questo caso si tratta di un'interazione in cui entrano
necessariamente
in gioco almeno tre particelle: la particella carica che sulla stella  ha emesso
il fotone, il fotone emesso e l'elettrone di un atomo della mia retina che l'ha
assorbito.
Possiamo anche tracciare il diagramma di Feynman e vedere che si
tratta proprio di un fotone virtuale e quindi non rispetta esattamente la
conservazione
dell'energia e dell'impulso. Certo, se consideriamo ad esempio che
l'indeterminazione
sull'energia DE e' dell'ordine di h/Dt dove h e' la piccolissima costante di Plank
e Dt sono
i 1000 anni di tempo di viaggio del fotone, appare chiaro che l'energia e'
pressoche'
esattamente definita ma cio non toglie che qualunque valore di energia ha una
probabilità
diversa da zero. La differenza fra questo fotone e uno "sicuramente" virtuale che
"esiste"
per una frazione infinitesima di tempo e che percio' puo' permettersi di violare
ampiamente
la conservazione dell'energia, e' soltanto qualitativa.
Sembra quindi piu' corretto pensare al concetto di esistenza non come una qualita'
dicotomica,(esiste o non esiste), ma come una caratteristica che puo' assumere
tutti i valori con continuita' tra essere e non essere.
Ciao
Massimo

 
 
   Ciao, conosco bene quel campo perche' ci ho fatto ricerca negli anni
   passati.  La radiazione di Hawking si spiega *intuitivamente* con il
   discorso sulle particelle virtuali, e non c'e' niente di male.
   Pero' i conti e le definizioni serie, sono un'altra cosa come lo
   stesso Hawking ha mostrato. Tra l'altro, come discutevo l'anno passato
   con Bernard Kay a York, non e' per niente chiaro come mettere insieme
   la storia delle particelle virtuali usata da Hawking nei testi divulgativi
   e i calcoli veri che Hawking stesso a fatto usando la teoria della
   rinormalizzazione del tensore energia impulso nello spaziotempo curvo...
   Forse bisognerebbe chiereglielo (a Hawking) ;-).
 
   Ciao, Valter

 Ciao Atomo.
  Ciao, hai capito male :-). Ed e' tutta colpa delle bestialita' che si leggono
  sui testi di divulgazione dove si fa di tutto un fascio senza fare
  distinzioni. Le particelle *virtuali* sono degli enti matematici
  ai quali non sempre si puo' dare una interpretazione fisica, e sicuramente mai
  se  prese  singolarmente, per motivi che ho spiegato in un altro lungo post. 
  Le particelle *reali*  sono invece particelle vere e sono queste che 
  si cercano al CERN e in altri posti. Queste distinzioni sono note
  da mezzo secolo e la confusione deriva per lo piu' dalla disinvoltura
  con cui i fisici passano da uno all'altro tipo di particelle: ed e'
  lecito nel nostro ambiente dove si capisce quello di cui si sta parlando
  (nessun fisico, praticone quanto vuoi, direbbe "ho rivelato una particella
  virtuale"), ma non e' lecito in ambienti dove non e' chiaro di che cosa
  si stia parlando (libri divulgativi).
  Che la fisica teorica delle alte energie stia passando un periodo di
  crisi e' vero, ma i motivi *non c'entrano niente* con le particelle
  virtuali!
  Ciao, Valter

 dell'energia e dell'impulso. 
E' interessante quello che dici, ma mica sono tanto d'accordo :-)
*Quale* diagramma di Feynman? 
Cioe' *a quale ordine ti fermi nello sviluppo perturbativo*?
Ti concedo che puoi fare il calcolo ad un approssimazione sempre 
maggiore, ma quando parliamo di un processo *rivelato* siamo passati
dal micromondo al macromondo e la particella ha lasciato una traccia 
"macroscopica" (in una camera a nebbia, a bolle, su uno schermo) ed e' 
per questo reale: tutti i diagrammi sono stati considerati e sommati ed
il processo si e' concluso. Ho l'impressione che dal tuo punto di vista tutti 
i processi non sono mai "materializzati" o conclusi. 
Il fatto che le particelle reali siano delle chimere lo credo anche io ma
per altri motivi: perche' c'e' la gravita' e il gruppo di Poincare'
non e' una vera simmetria e le particelle sono definite assumendo tale
simmetria. D'altra parte, per ora, non e' nemmeno chiaro se e' possibile
dare una definizione approssimata di particella a causa di una simmetria
approssimata...
Ciao, Valter

 Ciao, Valter

 sarà pure??
Ciao, bisogna precisare bene alcune cose cose.
Intanto partiamo dai campi. Come sai bene ad ogni campo e' associabile
una particella reale, cioe'in linea di principio 
osservabile quando i campi hanno intensita' particolarmente basse 
(per i fermioni bisognerebbe dire un po' di cose perche' il campo 
fermionico non e' osservabile per principio se non quando
entra in una corrente per dare luogo ad un operatore bosonico). 
Tuttavia non sempre il campo si manifesta attraverso l'osservazione
delle sue particelle, puoi avere un processo *mediato da un campo*
ma tale che lo stato del sistema non sia mai in tutto il tempo 
considerato uno stato a particelle definite del campo mediatore.
Per esempio se prendi due ipotetiche cariche di Yukawa macroscopiche
ad una distanza fissata tra di esse, il campo di Yukawa statico che 
si crea intorno a loro e' descritto da uno stato quantistico di campo
che manco per idea e' a numero finito di muoni, il valore medio locale 
del campo  di Yukawa non diverge sullo stato e non e' nemmeno nullo: soddisfa
invece l'equazione che ci aspetteremmo. Se tuttavia a te interessa per esempio calcolare
l'energia dello stato, puoi sviluppare perturbativamente il calcolo
con la teoria delle perturbazioni ed usare i diagrammi. Allora vedi che l'energia
e' data dalla somma di infiniti contributi ciascuno dei quali e' riferibile
a stati ad un numero finito di muoni via via crescenti...
Se vuoi sapere con quale forza si attirano le cariche 
basta derivare l'energia del campo rispetto alla distanza delle cariche 
e questo di fornisce la forza effettiva...
Viene spontaneo pensare che l'interazione, la forza, tra le due cariche sia 
"mediata" dai muoni. Pero' lo stato non e' a muoni definiti. In quale senso
allora ci sono i muoni? Secondo me non ha molto senso cercare i muoni
per forza: mi basta dire che c'e' il campo muonico.
Le particelle di Yukawa ci sono, ma non si rivelano direttamente in questo esperimento
ideale.
Similmente i mediatori elettrodeboli possono partecipare a processi come 
particelle virtuali (in tal caso io preferisco pensare che e' il campo quantistico 
elettrodebole che media il processo perche' non sono in grado di attribuire
un significato preciso al fatto che ci siano le particelle virtuali, ma solo a tutto
il processo una volta compiuto) - ed e' questo il caso a cui ti riferivi e stavi 
parlando solo di *un termine* di un certo sviluppo letto con i diagrammi di Feynman -
oppure come particelle reali, cioe' che si rivelano in un contatore alla fine 
del processo. E' in questa forma che le hanno "viste".
La tecnica di Feynman permette di analizzare i processi in modo
perturbativo in termini delle particelle (virtuali)  associate ad un campo 
anche se queste non si rivelano direttamente all'inizio o alla fine del
processo quando cioe' il "collasso della funzione d'onda avviene" e i rivelatori
"scattano". Tuttavia, il mio parere e' che non e' lecito attribuire 
a ciascun pezzo dello sviluppo perturbativo una sua esistenza a parte,
ma solo la somma finale ha un significato fisico (in certi casi
sappiamo che nemmeno quella). Anche perche' e' ben noto che ci sono
certe caratteristiche delle teorie quantistiche dei campi che non possono
essere analizzate completamente con la tecnica dei diagrammi, perche'
sono intinsecamente non perturbative. Ancora una cosa, appena accendi la
gravita' il concetto stesso di particella reale o virtuale perde significato,
e bisogna riformulare tutta la teoria dei campi in termini diversi 
e siamo ancora agli inizi...
Infine ci si puo' chiedere se ci sono particelle virtuali che non si 
rivelano MAI per principio come particelle reali. Ci sono, come probabilmente 
saprai. Sono i "ghosts" delle teorie di gauge non abeliane: particelle
scalari, ma che soiddisfano regole di anticommutazione.
Sono necessarie, *quando si usa la tecnica dei diagrammi* cioe'
quando si espande perturbativamente la teoria  (in gauge covariante,
ma anche in gauge assiale a volte, mi hanno detto) per salvaguardare, formalmente, 
l'unitarieta' della teoria. (Poi c'e' una tecnica elegante dovuta a Faddeev e Popov
di farli saltare fuori direttamente nell'integrale funzionale...)
Dato che proprio come le particelle virtuali "normali"  compaiono anche loro nei 
diagrammi di Feynman, la domanda dal punto di vista di chi "crede alle particelle virtuali" 
e' lecita: esistono o sono anche loro degli oggetti *solo*  matematici come penso io?
Ma si potrebbe rincarare la dose. Quado sviluppi la QED lo puoi fare in molti 
modi equivalenti. Uno dei modi classici e' il formalismo di Gupta-Bleuler, quello 
che ha retto per tanti anni prima delle molto piu' potenti e generali tecniche BRST.
In quel formalismo si parte mettendo anche i fotoni *temporali* e *longitudinali* e 
non c'e' niente da fare: se si vuole una teoria covariante "a vista" che segue le regole
di commutazione solite bisogna passare per qulla strada. Anche in tal caso 'sti fotoni 
strambi si infilano nei conti intermedi ma si fanno sparire all'inizio e alla fine dei processi.
Che dire, esistono davvero o no questi fotoni longitudinali e temporali? 
 Ciao, Valter

 approssimata...
Qui non ti seguo.Cosa ha che non va il gruppo di Poincare' con la gravitazione?
Ciao
Massimo

 
Ciao, per definire le particelle hai bisogno che lo stato di vuoto sia invariante
sotto la rappresentazione unitaria del gruppo di Poincare', questo perche' in tal
modo, alla fine risulta che le caratteristiche invarianti delle particelle, massa e spin
(e anche carica), siano le stesse rispetto a tutti i riferimenti (inerziali).
In questo modo il concetto di particella ha un significato univoco ed indipendente
dall'osservatore, almeno fino a quando gli osservatori sono in quiete
in riferimenti inerziali. Se lo spaziotempo non ha piu' come gruppo di isometrie
il gruppo di Poincare', e questo accade non appena ci sia gravita' per la relativita'
generale, tutta la costruzione crolla. E' plausibile che se la gravita' e' "piccola" 
qualche costruzione approssimata continui a funzionare, pero' al momento nessuno
e' in grado di dire come bisogna procedere se non con procedure euristiche ed ad hoc. 
Anzi, chi si occupa di QFT in curved spcetime ha abbandonato del tutto il problema e
preferisce descrivere gli stati di campi quantistici in termini locali piuttosto che
in termini particellari...In ogni caso in uno spaziotempo arbitrario come ci si aspetta
che sia dalle equazioni di Einstein, non ci sono simmetrie evidenti (su piccola scala)
e il concetto di particella perde completamente significato oltre che utilita'...
Ciao, Valter