¿Cómo se concentra la energía para convertirse en partículas subatómicas?

Gracias por hacerme esta pregunta.

Creo que lo que quiere decir con concentrado es cómo la energía se transduce en partículas o cómo la energía crea partículas.

Para responder de la mejor manera posible, tenemos que entender qué es la energía y qué son las partículas.

La energía es la capacidad de hacer trabajo. No se puede crear ni destruir. Todo fue creado en el momento del Big Bang. Desde entonces se convierte en una forma u otra o se usa para crear partículas.

Las partículas elementales son campos cuánticos, en su forma más profunda, ondas en el espacio-tiempo que llevan energía, y llevan consigo cuatro momentos (energía y momento del vector) y algún tipo de carga, a menos que no tengan ninguna carga, como los fotones. No son más que la energía, que es una función de la frecuencia de la onda (y ha dotado de ella algunas propiedades como carga y giro, etc.).

Por lo tanto, al igual que las partículas salieron de la energía bombeada al espacio-tiempo la primera vez (después del Big Bang), de manera similar, la energía crea partículas al destruir una o más partículas y al crear una o más partículas, al tomar energía de ellos y transduciendo a los demás. En mecánica cuántica lo denotamos por operadores de aniquilación y creación.

Dejame darte un ejemplo. La creación de la pareja. Un rayo gamma de alta energía, que transporta energía más que las energías en reposo de un par protón-electrón, una vez encontrado por un núcleo pesado (es decir, de alto número atómico, Z), sufre una interacción electromagnética, mediada por un fotón virtual, y produce Un par de electrones y positrones. Por ejemplo, si el rayo gamma original tenía una energía de 20MeV, casi 1.022MeV (la suma de las energías en reposo de electrones y positrones necesarias para crear el par) entra en la producción del par, mientras que casi 18.078MeV es la energía cinética compartida por el par. Por lo tanto, la energía sigue siendo la misma, simplemente se transduce de un bosón sin carga y masa y gira uno con la interacción de un núcleo pesado en un par de dos productos: un fermión de giro 1/2 cargado negativamente con una masa de 0.511 MeV y positivamente spin fermión cargado 1/2 con masa 0.511MeV (antipartícula del primero).

Un diagrama puede ayudar a entender esto.

Aquí hay dos diagramas, uno una caricatura visual del proceso y otro un diagrama de Feynman.

Espero que ayude.

El Dr. Brewer invoca a Feynman y le explica que no puede responder una pregunta simple sin incluir grandes áreas de física que la persona que pregunta no sabe. Por mucho que admire a Richard Feynman y Jess Brewer, siempre he sentido que la respuesta de Feynman aquí no es muy útil e incluso algo insultante. Sin embargo, lo restringiré a un comentario, ¡y tendré la arrogancia de tratar de responder su pregunta aquí!

De hecho, esta es realmente una pregunta extremadamente profunda, que llega al corazón de la mecánica cuántica. Está relacionado con muchas cosas complejas, y creo que es por eso que el Dr. Brewer está invocando el video. Él no está equivocado, pero voy a apresurarme donde personas conocedoras temen pisar.

¡Porque podemos decir algunas cosas!

Una es que hay algo notable que sucede en el mundo que no entendemos completamente. Cosas como la energía y el impulso no cambian sin problemas como solíamos pensar. Cambian en ‘trozos’. La luz que brilla sobre una mesa no lo golpea como un flujo suave, sino como gotas de lluvia en una tormenta de truenos … muchos “pedazos” de luz, de diferentes tamaños / energías, golpeando tan rápido que parece continuo. Sin embargo, al contrario de lo que la gente suele pensar en esto, esos trozos no son pequeñas bolas preexistentes que han estado volando por el espacio para llegar a la mesa, sino que nacen en la interacción … como si la lluvia solo se condensara. golpear la superficie!

Esta tendencia de las cosas a surgir cuando interactúan como “fragmentos” de esta manera se aplica no solo a los campos electromagnéticos (que se experimentan como una serie de fotones) sino también a otros campos. Cada una de las partículas que conocemos está asociada con un tipo de campo (que algunos físicos dirían que son reales). Por ejemplo, hay un tipo de campo llamado “campo de electrones” en cada punto del espacio y el tiempo. Las interacciones con este campo se manifiestan como fragmentos discretos o blips … que llamamos “electrones”. También hay campos para quarks, etc., etc.

Si tiene suficiente energía y la arroja a estos campos, entonces esa energía se manifestará, ya que interactúa con otras cosas, como estos ‘fragmentos’, y veremos una o más (a menudo un chorro completo de) partículas. El campo, más las interacciones, da lugar a esto como lo que llamamos “excitaciones”.

Ahora, tenga en cuenta que no he respondido exactamente a su pregunta: Feynman tiene razón en que realmente no hay referentes para usar. Pero espero, al menos, que haya sugerido algunas instrucciones para explorar, mientras que demuestro que hay conexiones aquí con muchos otros problemas sobre los que puede saber algo (como el colapso de una función de onda / campo cuántico). ¡Espero que al menos dé algunas pistas que sean útiles!

Su pregunta revela la visión de un laico de lo que son “energía” y “partículas”.

En verdad, no hay “partículas subatómicas” per se. Hay concentraciones en los diversos campos de fuerza que, cuando interactúan, se comportan como una partícula de alguna manera, como colisiones o movimiento. Por lo tanto, cuando “detecta” una partícula subatómica, a menudo se debe a que los campos se han concentrado lo suficiente como para interactuar con el sensor por encima del límite cuántico para hacer una secuencia de cambio que podamos detectar con nuestros instrumentos de nivel macro.

Como ejemplo, consideremos un “rayo gamma” de alta energía que se somete a una “producción de pares”: el rayo gamma es una “onda” electromagnética, literalmente una oscilación en el campo eléctrico y el campo magnético que es autosuficiente … si es así no interactúa, continuará para siempre. Alguna otra onda aleatoria interfiere … y se colapsa en las formas positivas y negativas del electrón y un rayo gamma secundario. Un electrón es una onda estacionaria con una posición localizada. Nadie conoce realmente la estructura de la onda estacionaria de un electrón fuera de un átomo, porque no se puede sentir sin cambiarla. Pero el “rayo gamma” nunca fue un fotón, el electrón no está realmente “allí”: la propagación de los campos de energía acaba de cambiar de modo.

La respuesta corta y honesta es que nadie lo sabe.

Eso no es un golpe para el conocimiento o la comprensión humana. Estos conceptos sobre materia, energía, big bang, expansión, partículas subatómicas … son tan abstractos y tratan con números tan fantásticamente grandes y pequeños, que es literalmente alucinante.

Tome la famosa ecuación de Einstein: E = mc ** 2. Dice que la masa se puede convertir en una cantidad gigante de energía. Por el contrario, una cantidad gigante de energía se puede convertir en una pequeña cantidad de masa. Los números son tan grandes y tan pequeños que la mente humana realmente no puede lidiar con eso. Es el tipo de cosa que tiene más sentido porque las matemáticas funcionan.

Ahora, imagine que podríamos convertir cada bit de masa en todo el universo (miles de millones de galaxias, cada una con miles de millones de estrellas), y luego imagine que podríamos contener toda esa energía en un espacio más pequeño que un solo átomo. Ese es el estado del universo unas pocas fracciones de segundo después del Big Bang. Hace tanto calor que incluso el centro de una estrella no puede comenzar a acercarse a él.

Menciono todo esto porque se relaciona con la forma en que los científicos abordan mentalmente las nociones de energía y materia. Usted pregunta cómo la energía “se concentra” para convertirse en materia, pero los científicos tienden a pensar en el enfriamiento de la energía hasta el punto en que la materia se condensa a partir de la energía caliente. Es más parecido al agua que se condensa en el borde exterior de un vaso frío. Es decir, parece que no concentra energía para crear materia, enfría energía y, naturalmente, se convierte en materia. (bueno, al menos algo de energía hace / hizo). Por el contrario, si calientas suficiente materia, volverá a la energía pura. Las estrellas hacen esto en una escala minúscula (por ejemplo, convirtiendo dos átomos de hidrógeno en un átomo de helio) y lo hacen a una temperatura mucho más baja que en el universo primitivo, pero el principio es básicamente el mismo: calentar la materia lo suficiente y en teoría convertir a pura energía. Enfríe esa energía súper caliente y se formará materia (incluidas partículas subatómicas).

Espero que esto ayude.

Nadie lo sabe con certeza, sin embargo, tenemos algunas indicaciones.

El comportamiento de una partícula se explica utilizando ondas mecánicas cuánticas. Si la función de onda (básicamente es el espacio-tiempo asignado a la partícula) interfiere constructivamente consigo misma , es estable y observable (en sentido mecánico cuántico).

La energía es solo un parámetro relacionado con la simetría del tiempo (invariancia del tiempo, indicando que el resultado más o menos igual de su experimento ocurrirá mañana, pasado mañana, después de millones de años …) y muestra qué tan rápido “oscila” la función de onda (Sin embargo, nada oscila allí en realidad, solo por mencionar). Si está sincronizado con otras simetrías (espaciales, cargas … es decir, cómo se “mueve”, etc.), se asignará a sí mismo una y otra vez, por lo tanto, es estable.

Hay una serie de otras simetrías utilizadas en física cuántica y su descripción matemática puede ser muy compleja (no me pregunte), incluso difícil de traducir al lenguaje común. En mi opinión, esto es una consecuencia del uso del sistema de coordenadas inapropiado al que estamos acostumbrados (t, x, y, z), que ciertamente no es un entorno natural para que estas simetrías se describan de manera fácil y eficiente.

No lo hace. No puede Su confusión proviene de tener la manera incorrecta de pensarlo.

Para aclarar esto explícitamente, responderé la pregunta de esta manera: la energía se concentra para formar una partícula subatómica exactamente de la misma manera que una nota musical se concentra para convertirse en un instrumento musical. Por ejemplo, si tomamos G # y lo concentramos lo suficiente, esta nota se condensará en un piano de cola o un saxofón.

Por supuesto que esto no sucede. La energía no existe de ninguna manera que sepamos, aparte de ser una propiedad de algún sistema, expresada por su invariancia de traducción en el tiempo, y relacionada íntimamente con la forma en que ese sistema interactúa con otro sistema.

Esto es cierto para otras propiedades como el momento angular o el número de leptones, ninguno de los cuales es una sustancia independiente que puede condensarse en una partícula.

Lo que tenemos son campos cuánticos y estos campos pueden interactuar y, si las condiciones son adecuadas, las partículas o excitaciones de un campo pueden transferirse a un campo cuántico diferente, lo que significa que las partículas se crean o aniquilan.

La energía, como es knon, se convierte en masa de acuerdo con el famoso principio equivalente de masa de energía de Einstein. Esto viene dado por E = MC ^ 2. Entonces, de acuerdo con esta fórmula, la velocidad de la luz es una constante, por lo tanto, puede escribir E = M por simplicidad.
Ahora, no todas las materias pueden ser una partícula física bien definida como un electrón, un quark o un nucleón. Debido a que cada una de estas partículas subatómicas tiene propiedades definidas además de la masa, el espín, el momento magnético, la carga 1 o cero, puede ser un gran número de e-. Esto puede notarse muy bien en los aceleradores lineales o en el colisionador LHC. Cuando colisionan protón-protón con alta energía, digamos 7 TeV, la energía después de la colisión se ralentiza formando nuevas partículas de tales propiedades pueden ser detectados por detectores especiales diseñados para este objetivo

Creo en el tejido de la teoría del espacio.

La tela original era nuetral. Llamaré a eso el campo de energía.

El campo nuetral (tejido) se rompió en dos nuevos tejidos. Tejidos por gravedad (contracción) y materia (expansión).

Gravedad condenan en y hacia un punto de singularidad. La materia quiere volver a combinarse con la gravedad, pero la gravedad está en movimiento, por lo que no pueden volver a combinarse.

El flujo de gravedad hacia la singularidad es constante, pero siempre aumenta a medida que crece la singularidad. Estos flujos causan un movimiento circular como un huracán en el que ambas telas quedan atrapadas en este giro perpetuo. A medida que pasa el tiempo, la singularidad y su campo gravitacional se vuelven lo suficientemente fuertes y rápidos como para comenzar a formar hidrógeno.

Formación de hidrógeno.

  1. Singularidad.
  2. Nuetron se forma alrededor de la singularidad. Y es un área en el campo gravitatorio dence lo suficiente como para volver a combinar los dos campos.
  3. Los protones se forman fuera y alrededor del nuetrón y están hechos de materia solo porque las denidades no son suficientes para formar un nuetrón. Los intercambios de luz y partículas se conectan desde esta área.
  4. Los electrones se forman en la circunferencia de los protones y son numerosos. Los considero como cojinetes de bolas móviles. Hay muchos. En el hidrógeno, dicen que hay dos, pero dos son representativos de la dirección opuesta del giro de los electrones a las singularidades orbitales que permiten flujos hacia adentro y hacia afuera de lo que llamamos flujos de energía electromagnética (enlaces de partículas).
  5. Formación de galexia. Ahora que los electrones se han formado debido a los flujos de energía electromagnética más altos dentro del área de galexia visible. Los sistemas estelares ahora pueden formarse para crear la galexia visible fuera de la singularidad local más antigua y más grande, un agujero negro.
  6. Eso es más o menos en pocas palabras.

Nadie sabe cómo, pero sabemos que sí.

Hace mil años, nadie sabía cómo colgaba la luna llena en el cielo nocturno, pero lo hizo, y todavía lo hace. Ahora sabemos que se debe a las fuerzas gravitacionales, pero ¿importa que tengamos este nuevo conocimiento? Nuestro nuevo conocimiento no hace ninguna diferencia en el hecho de que una luna llena cuelga en el cielo en una noche clara que nos proporciona luz de luna.

Entonces, la inteligencia importante que necesitamos deducir de esto es que definitivamente sabemos que la energía realmente se concentra para convertirse en partículas subatómicas, y realmente no importa cómo sucede esto, porque simplemente lo hace. La energía se concentra en la materia; punto final

Esta es una oportunidad perfecta para referirme a la maravillosa respuesta de mi ídolo a una pregunta similar: ver