Cómo obtener conocimiento sobre los átomos.

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El conocimiento básico de los átomos indica que, bajo una configuración específica de protones, neutrones y electrones, un átomo puede en teoría ser cualquier elemento de la tabla periódica, al igual que el hidrógeno en una estrella puede fusionarse con elementos más pesados, pero ¿de qué están hechas exactamente las partículas subatómicas? No en el sentido de que un protón está formado por quarks arriba y abajo, sino material, ¿es solo una fuerza? Obviamente, no si su materia, sino un átomo de oro no tiene protones de oro y neutrones de oro, etc., entonces, ¿de qué están hechos?

Según nuestro conocimiento, no es una “materia” común de la que están formadas las partículas elementales. De hecho, esta es la razón por la que, en principio, se les llama elementales para denotar que son el bloque de construcción del cual todo está hecho. La descripción más concisa que puedo dar del zoológico de partículas elementales es que son diferentes entre tipos, pero que no se distinguen entre tipos. Lo que quiero decir con esto es que un electrón es inherentemente diferente a un neutrino: tienen diferentes masas, cargas, etc. Por otro lado, dos electrones en el vacío no solo son idénticos, sino que, de hecho, son indistinguibles.

La oración anterior puede sonar redundante, pero el concepto de indistinguibilidad tiene un sentido más profundo en la mecánica cuántica. No solo significa que dos electrones “se ven y se sienten” de la misma manera, sino que significa que en un nivel fundamental no se puede mirar una caja llena de electrones y decir que esto es un electrón y un electrón b, todos ustedes Lo que puedo decir es que hay dos electrones idénticos divididos de alguna manera. Este concepto tiene consecuencias clave, explicando conceptos tan variados como la estructura electrónica de los metales, la estabilidad de las estrellas de neutrones, etc., etc.

Para ir un poco más lejos, en el lenguaje de la física moderna a menudo se habla no de partículas, sino de algo llamado campos de partículas. Un ejemplo de un campo de este tipo que probablemente ya conozca es el campo electromagnético. Cuantos del campo electromagnético a su vez se llaman fotones. De una manera completamente análoga, podemos hablar de campos de electrones, campos de neutrinos, etc., etc., y luego podemos considerar los electrones, los neutrinos, etc., como los cuantos de sus respectivos campos. Tenga en cuenta que esta imagen de campos no es menos “física” que las partículas, de hecho, se puede argumentar que es el concepto más fundamental, ya que las partículas son simplemente un marco visual más conveniente, que podemos preferir en ciertas circunstancias.

Si esto suena un poco confuso, aquí hay una imagen que puede ayudarte a visualizar esta idea (o que puede confundirte más). Se puede imaginar un campo como un colchón gigante formado por puntos discretos sostenidos por muelles como este. Cuando no hay una partícula presente en un punto dado, el resorte está en su estado fundamental (más formalmente diríamos que el número de ocupación es cero). A la inversa, cuando una partícula está ubicada en la posición dada, puede imaginar que el resorte vibra (el número de ocupación ahora es uno). En esta imagen, el movimiento de una partícula estaría representado por el movimiento de esta excitación a través del colchón. Cada tipo de partícula tiene su propio “colchón” y, en una primera aproximación, puede tratar estos colchones como desconectados entre sí. Esta sería la situación correspondiente a las partículas que no interactúan. A continuación, puede comenzar a agregar enlaces entre los resortes, que cambiarán claramente el comportamiento de cada colchón. Estos nuevos enlaces son las fuerzas efectivas que median la interacción de diferentes partículas (o, de nuevo, más exactamente de sus campos).

En un sentido fundamental, esto es lo que importa. Es un estado unido, localizado y excitado de múltiples campos de partículas, cuya naturaleza se describe mediante las interacciones que operan dentro de los campos y entre los campos.