Voy a hacer un poco de copypasta con una respuesta anterior bastante extensa que escribí a una pregunta relacionada tangencialmente.
En el nivel más profundo, los electrones y los constituyentes de los núcleos son distorsiones de los objetos fundamentales llamados campos cuánticos . Como analogía cruda, un campo cuántico es como una cuerda atada a un pomo de la puerta, y la partícula correspondiente es como la “protuberancia” que aparece y viaja a lo largo de la cuerda si agita abruptamente el extremo libre hacia arriba y hacia abajo una vez.
Me gusta esta analogía aproximada por varias razones. Primero, puede ver que el bache de viaje es algo localizado, pero no tiene una ubicación única y única. En segundo lugar, y lo que es más importante, la forma de la distorsión depende completamente de su origen, en este caso, la forma en que sostienes o sacudes la cuerda. Si agitas el extremo hacia arriba y hacia abajo en un patrón aleatorio, el resultado no es un golpe agradable y localizado, sino más bien un temblor amorfo y caótico.
- ¿Qué son los estados metaestables? En láser, ¿existen estados metaestables antes de excitar el electrón? En caso afirmativo, ¿podemos dirigir la excitación de un electrón al estado metaestable?
- ¿Cuál es el límite inferior de lo que en realidad puede llamarse vacío?
- ¿Es posible que solo un quark viaje a través del LHC?
- ¿Cuál habría sido el futuro de la física si no se hubiera descubierto la mecánica cuántica?
- ¿Los electrones tienen quarks dentro de ellos?
Los campos cuánticos también pueden existir así. Si un campo cuántico se excita suavemente de una manera particular desde su estado de energía más bajo (también llamado estado de vacío, que en nuestra analogía es cuando la cuerda se tensa de manera razonablemente recta) en ausencia de otras influencias (es decir, otros campos ), el resultado se comporta como el pulso en su cadena, y lo llamamos partícula libre .
Por otro lado, si hay otros campos involucrados, la excitación de energía más baja del campo de electrones puede no comportarse (o aparecer) en absoluto como su pulso. Es posible que no tenga nada parecido a una posición localizada, y la distorsión en el campo podría adoptar todo tipo de formas extrañas.
Esto es lo que sucede en un átomo: la interacción entre el campo electromagnético y el campo de electrones cambia las cosas, por lo que ya no tiene sentido pensar que el campo de electrones tiene un montón de pequeñas protuberancias viajeras. En consecuencia, la distorsión en el campo electromagnético no tiene que parecerse en nada a las excitaciones de partículas libres (las pequeñas protuberancias de viaje) del campo electromagnético, que llamamos fotones.
Entonces, de aquí proviene gran parte de la confusión para los principiantes en la teoría cuántica:
- Un protón es una protuberancia que viaja libremente en el campo de protones [matemática] ^ \ daga [/ matemática] ; un electrón es una protuberancia que viaja libremente en el campo de electrones ; y un fotón es una protuberancia que viaja libremente en el campo electromagnético, que también podríamos llamar el campo de fotones .
- En ausencia de otros campos, estas protuberancias que viajan libremente son las excitaciones de menor energía de sus respectivos campos. Sin embargo, si varios campos interactúan entre sí, sus excitaciones de menor energía no viajan libremente, y es posible que ni siquiera tengan una forma ligeramente irregular.
- Si activa la interacción entre el campo de protones y el campo de fotones y crea una excitación de baja energía del campo de protones, el resultado todavía se ve y actúa bastante como una protuberancia, por lo que todavía lo llamamos protón. Sin embargo…
- La presencia de una protuberancia en el campo de protones crea una distorsión en el campo de fotones cercano. Esta distorsión NO es enfáticamente la protuberancia análoga en el campo de fotones (es decir, no es lo que llamaríamos un fotón); en cambio, el campo de fotones simplemente está deformado y distorsionado en una forma extraña.
- Un átomo de hidrógeno consiste en excitaciones en el campo de protones, el campo de fotones y el campo de electrones.
- El campo de protones y el campo de electrones no interactúan directamente entre sí, pero una protuberancia en cualquiera de ellos causa una distorsión similar y de forma extraña en el campo de fotones.
- Si una protuberancia en el campo de protones se acerca a una protuberancia en el campo de electrones, sucede algo muy interesante. La protuberancia en el campo de protones todavía actúa como una protuberancia. Sin embargo, la influencia del campo de fotones significativamente distorsionado une el electrón al protón y hace que la distorsión tome una forma que no se parece en nada a una protuberancia.
- Si no se ve o se comporta como una protuberancia, ¿debería llamarlo electrón? Lo hacemos, pero tenemos que tener cuidado: la nueva forma de la distorsión en el campo de electrones definitivamente no es solo una pequeña protuberancia que zumba alrededor del protón en círculos como la Tierra orbita alrededor del Sol, ¿verdad? Es totalmente diferente ¿Recuerdas esos orbitales atómicos de la clase de química? Correcto.
Uf. Eso fue largo, pero necesitaba superarlo para responder a su pregunta correctamente. Aqui tienes:
El electrón (que ya no es una protuberancia localizada, sino una distorsión de forma extraña en el campo de electrones) interactúa con el campo de fotones también distorsionado de una manera no lineal muy complicada. Sin embargo, hay un truco encantador de matemáticas que nos permite manejar este problema.
En lugar de tratar de tratar la interacción entre estos campos en toda su gloria, grotesca y no lineal, resulta que podemos expresar el campo de fotones como la suma de una distorsión agradable, simple e idealizada (que podemos manejar) más una serie de correcciones que se parecen a golpes individuales y discretos! El comportamiento de estas “protuberancias de corrección” es un poco diferente del comportamiento de las protuberancias reales que creamos antes cuando aceleramos nuestro protón imaginario, por lo que las llamamos partículas virtuales ; sin embargo, su interacción con el campo de electrones es algo que sabemos manejar, así que … ¡éxito!
Desafortunadamente, para ser exactos , necesitaríamos un número infinito de esos términos de corrección … pero afortunadamente, cada término suele ser mucho más pequeño que el anterior, por lo que podemos calcular hasta que estemos satisfechos con la precisión y luego detenernos.
Entonces, esa es la respuesta a su pregunta, aunque bastante larga y prolongada. Al final del día, depende de lo que quieres decir con “existir”. ¿Cómo decides qué existe y qué no? La idea de partículas virtuales surge de las matemáticas, y es una buena interpretación que hace alguna conexión con nuestra intuición. Si quiere decir que “existen” o no, depende más o menos de usted.
[matemáticas] ^ \ daga [/ matemáticas] Sí, sé que el protón es una mezcolanza de quarks y gluones, y que no hay un campo de protones fundamental. Sin embargo, siempre y cuando la estructura interna del protón no juegue un papel (que no lo hace en lo que a nosotros respecta aquí), puede tratarlo como un electrón gordo con carga opuesta y todo estará bien.
