En lugar de la “naturaleza de la partícula subatómica”, supongo que se refiere a la estructura atómica, ya que el modelo planetario kepleriano y el modelo del átomo parecen superficialmente similares.
Dado que las leyes keplerianas pueden derivarse de la formulación gravitacional de Newton, me referiré a ‘gravedad de Newton’ para referirme a ambas. Aún más, acortaré el nombre a NG. Además, necesitará las leyes de movimiento de Newton de todos modos y asumiré ese marco en todo Newtoniano sin referirme explícitamente a él.
Hay varias razones por las cuales NG no puede hacer frente a la estructura atómica. Permítanme enumerarlos con una pequeña explicación para cada uno.
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- Las fuerzas involucradas son bastante diferentes. Aunque la fuerza de la gravitación y la fuerza electromagnética comparten la ley del cuadrado inverso, son de naturaleza muy diferente. Por un lado, la gravitación es puramente atractiva, mientras que la otra puede ser atractiva o repulsiva.
- Medición definitiva de posición y momento en el mundo newtoniano. En el universo newtoniano, la posición y el momento de cada partícula se pueden medir con precisión infinita simultáneamente en cualquier momento. En el gran mundo malo de la mecánica cuántica, que es más adecuado para explicar la estructura atómica, esto no es cierto. Esto se codifica en la relación de incertidumbre proporcionada por Werner Heisenberg, donde el producto de las incertidumbres en la medición del momento y la posición no puede ser arbitrariamente pequeño. Este no es un artefacto del método de medición, es inherente a la mecánica cuántica. Estas pequeñas incertidumbres se vuelven extremadamente importantes cuando se trata de partículas diminutas y sus estados.
- Ningún concepto de spin-stats en el mundo newtoniano. No hay bosones ni fermiones en el universo newtoniano: cada partícula es una partícula de materia o una partícula de energía. Eso no tiene sentido Relatividad post-especial, que establece la equivalencia de la materia y la energía. En el mundo cuántico, debido a algo llamado el teorema de la estadística de espín, hay dos tipos de partículas: fermiones y bosones. Los fermiones siguen algo llamado estadísticas de ‘Fermi-Dirac’, lo que implica que no pueden permanecer dos fermiones idénticos en el mismo estado. Si un estado está definido por una serie de números cuánticos, como energía, espín, etc., para que dos fermiones estén en el mismo estado, al menos uno de los números en la lista tiene que ser diferente. (Los bosones, sin embargo, están perfectamente felices de estar en el mismo estado cuántico). Esto es extremadamente relevante ya que los electrones son fermiones. No hay dos electrones idénticos (es decir, dos electrones con números cuánticos coincidentes) pueden estar en el mismo estado. Esto significa que si un átomo tiene, digamos, 10 electrones, no todos pueden ir al estado fundamental. Esto proporciona a los átomos un radio particular. Esto está codificado como el ‘Principio de Exclusión de Pauli’. Este es un efecto mecánico puramente cuántico sin análogo clásico, por lo que NG no puede tener en cuenta este efecto.
- Más mecánica cuántica: la mecánica cuántica establece algunas cosas que están ausentes en NG o en cualquier mecánica clásica.
- Cada partícula está dada por una función de onda (una función de posición y tiempo) y el módulo al cuadrado de eso da la probabilidad de la presencia de esa partícula en una región del espacio. Esta función de onda se obtiene resolviendo la ecuación de Schrodinger. En NG, o en el mundo kepleriano, no existe tal concepto. El efecto de la mecánica cuántica en la escala de los planetas y las estrellas es tan pequeño que podemos descuidarlo felizmente. Sin embargo, el mundo atómico está impulsado por los efectos cuánticos.
- Los niveles de energía obtenidos al resolver la ecuación de Schrodinger son de naturaleza discreta, muy diferentes del mundo de NG. Esta discretización de los niveles de energía no importa en el caso de los planetas, pero es muy importante en el caso de los átomos. Los electrones en los átomos solo pueden saltar de un nivel de energía a otro. Además, cuando se proporciona energía a los átomos, por ejemplo, en forma de luz, solo se absorberán frecuencias particulares de luz, lo que corresponde a los niveles de energía disponibles.
En otras palabras, la física en los dos reinos es muy diferente y necesitabas un salto de pensamiento para pasar del paradigma newtoniano al mundo de la mecánica cuántica.
