Partícula elemental , para ponerlo en muy pocas palabras, simplemente significa: partícula indecomposible. Significa algo que no se puede romper en pedazos más pequeños.
Es una idea teórica con una larga historia. No importa que no podamos interactuar con estas partículas “directamente” o de una manera “completa”, todavía se puede intentar ver si la idea es de algún uso o si está respaldada por experimentos. De hecho, resulta que ambas cosas son ciertas.
La S-matriz y las amplitudes de dispersión ya son construcciones matemáticas muy complicadas. La matriz S y las amplitudes de dispersión pueden tener singularidades incluso cuando están involucradas partículas no elementales. Lo que puede haber oído, y lo que es correcto, es que las amplitudes de dispersión tienen singularidades, y que estas pueden estar asociadas con partículas elementales , a veces. En general, una matriz S que resulta de una teoría cuántica de campos, cuando se puede definir bien, tendrá singularidades en valores específicos de los momentos externos, algunos de ellos están conectados con las partículas elementales que se utilizan para construir el campo. operadores Pero esta es una forma matemática muy complicada de hablar sobre la pregunta.
No es realmente una idea muy complicada de explicar, por lo que le ahorraré todas las matemáticas y las definiciones formales.
Nuevamente: la idea de una partícula elemental es simplemente que es indecomposible, es algo que no se puede romper de ninguna manera en partes más pequeñas.
Entonces, una partícula elemental es como un átomo, y un átomo es una idea muy antigua que se remonta, al menos, al filósofo griego Demócrito.
Demócrito sostuvo que toda materia, materia que significa solo todos los materiales que conocemos, como el agua o el hierro o la madera, de hecho está hecha de pequeñas piezas que no pueden descomponerse aún más, llamadas atomos. Entre estos átomos, dijo, había un espacio vacío, lo que ahora llamamos vacío. Pensó que los átomos se movían en el espacio que existía entre ellos y rebotaban entre sí. Es una imagen bastante moderna y sofisticada de la estructura de materiales reales de muchas maneras.
Se informa que Demócrito también tuvo argumentos bastante convincentes sobre por qué debe haber vacío entre los átomos. Pero por lo que se sabe, Demócrito no era en absoluto muy específico acerca de las propiedades de los átomos o de cuántos tipos de ellos podría haber. Puede haber cientos o miles de diferentes, uno para cada material posible. Pero en todos los casos los átomos no debían ser divisibles. Así que se suponía que los átomos eran partículas elementales en el sentido moderno, o al menos, el sentido que yo definía.
En oposición a esta idea atómica estaba la idea de que toda la materia estaba hecha de una mezcla de unas pocas sustancias diferentes y continuas, llamadas elementos. Diferentes mezclas o mezclas de los elementos darían lugar a diferentes sustancias. Pero no habría una partícula de agua más pequeña, ni un pedazo de hierro más pequeño. Se suponía que no había vacío, no había espacio vacío dentro de los materiales. En su lugar, todos fueron continuos.
Las sustancias pueden transformarse entre sí cambiando las proporciones de las mezclas de elementos que las componen. Todos sabían que una clase de sustancia podría transformarse en otra. Ese es un hecho obvio sobre el mundo. Estas transformaciones también fueron muy importantes para la vida y me imagino que las personas que tenían tiempo para pensar querían explicar lo que estaba sucediendo.
Parece que los filósofos presocráticos anteriores, como Thales of Miletus, incluso sostuvieron que todas las cosas podrían estar hechas de una sola sustancia. Según Aristóteles, Thales dijo que esta sustancia era el agua. El argumento de Thales a favor de esta idea es sentimental y poético, creo, y no es muy persuasivo, pero aún así es una idea poderosa hasta el día de hoy, que todo podría estar hecho de una sustancia, que esta sustancia se transforma en otras cosas, y luego vuelve a sí mismo.
La idea que demostró a largo plazo ser mucho más fructífera para analizar las propiedades y transformaciones de las sustancias ordinarias resultó ser la de Demócrito. Pero tomó mucho tiempo antes de que se pudiera demostrar de manera concluyente: que las transformaciones químicas como las llaman ahora las personas, son el resultado de diferentes átomos, aproximadamente 100 tipos diferentes de átomos, que se combinan, reaccionan juntos de varias maneras. Todas las sustancias son compuestos de múltiples tipos de átomos, o bien están hechas de un solo tipo de átomo. Hay prácticamente innumerables números de átomos en incluso una muestra muy pequeña de una sustancia dada y es por eso que fue tan difícil decir cuál fue la idea más verdadera de todas las conjeturas iniciales durante tanto tiempo. Tomó mediciones detalladas y cuidadosas de los pesos en los que se combinaban las sustancias cuando ocurrían transformaciones químicas para establecer que la idea sobre los átomos era la más correcta.
A principios del siglo XX se descubrió, primero por JJ Thomson, que los átomos en sí mismos contenían partículas con carga negativa que él llamó electrones. Cuántos átomos de electrones contenían, nadie lo sabía al principio, y nadie sabía cómo estaban dispuestos dentro de los átomos.
Pero fue una revolución: significaba que los átomos no eran partículas elementales , después de todo. Podrían romperse en electrones y una pieza cargada positivamente llamada ion.
El descubrimiento experimental más importante del siglo XX fue realizado poco después por Ernest Rutherford, quien demostró que la carga positiva y la mayor parte de la masa de un átomo estaba contenida en un volumen muy pequeño en comparación con el tamaño del átomo, y que el La carga negativa estaba dispuesta en una gran nube alrededor de este “núcleo”. Lo hizo bombardeando varios materiales con los productos en rápido movimiento de las desintegraciones radiactivas de los átomos llamados partículas alfa. Cuando se hizo esto, de vez en cuando se eliminaba una partícula masiva cargada positivamente con la misma carga que el electrón.
Así que Rutherford reemplazó la partícula elemental llamada el átomo con un átomo formado por dos partículas elementales: el electrón y el protón.
Llegó a creer que había electrones no solo en la gran nube que rodeaba el núcleo muy pequeño, sino también dentro del núcleo mismo, junto con los protones. Así que parte de la carga positiva del núcleo se neutralizaría por los electrones dentro del núcleo, mientras que fuera del núcleo en la nube, habría suficientes electrones para neutralizar el resto de la carga positiva transportada por los protones.
Sin embargo, la idea de Rutherford estaba equivocada, y como se desarrolló la mecánica cuántica necesaria para describir que los electrones se movían dentro de los átomos, había muchas, muchas sugerencias teóricas de que realmente estaba muy equivocada. El más famoso vino de Pauli, quien señaló que había un problema con las estadísticas y el giro del núcleo si solo tenía electrones y protones en su interior. Y había otras razones importantes para dudar de que la idea pudiera funcionar. Pero Rutherford nunca creyó en la mecánica cuántica y se aferró a sus armas, hasta que Chadwick realmente descubrió que en algunos casos se eliminaban partículas neutras del núcleo y que estas partículas tenían la misma masa, casi, como el protón.
Lejos de ser una vergüenza, el descubrimiento de Chadwick es probablemente el segundo descubrimiento experimental más importante del siglo XX. Después del descubrimiento del neutrón, fue posible construir una teoría real del núcleo. Con el descubrimiento de Chadwick de la pesada partícula neutral, muchos de los detalles reales de las masas de los elementos químicos en la tabla periódica se hicieron posibles de explicar.
Las nuevas partículas neutrales pasaron a llamarse neutrones.
Con el tiempo, se encontraron experimentalmente muchas más partículas con diferentes propiedades, cargas, espines y masas y tiempos de vida, pero se desarrollaron teorías que permitieron la descripción de todas estas nuevas partículas, aún en términos de unas pocas partículas teóricamente elementales llamadas ahora quarks y leptones y bosones gauge y una partícula especial llamada bosón de Higgs.
Así que resultó que los neutrones y los protones no eran en realidad partículas elementales, sino que podían descomponerse aún más en partículas aún más pequeñas, pero presumiblemente ahora elementales.
Tales modelos son realmente extremadamente exitosos en la descripción de los fenómenos. De hecho, son casi suficientes para describir, en principio al menos aunque no en la práctica, el comportamiento de todos los materiales ordinarios y casi todo lo que sucede con ellos.
Si la idea de que estas partículas elementales conocidas son realmente elementales y no se pueden dividir en partes aún más pequeñas sigue siendo una pregunta experimental abierta. Pero hasta ahora no hay evidencia de que puedan.
Además, la idea de Thales de que todo puede provenir de una sola sustancia y ser el resultado de las transformaciones de esa sustancia tampoco está muerta.
La teoría de cuerdas podría, de hecho, considerarse como una teoría en ese sentido y tendría que tener en cuenta que todas estas supuestas partículas son manifestaciones de una sustancia subyacente en forma de cuerda.
