En primer lugar, debemos hacer la pregunta un poco más precisa: “las cosas” son, literalmente, tan vagas como sea posible. Por los detalles, parece que OP pregunta por la materia, por una parte, y en todas las escalas en las que observamos la estructura, por lo que desde al menos tan pequeño como el núcleo hasta, no sé, supercúmulos galácticos. Eso es lo más grande que se me ocurre, a menos que quieras hablar del universo como “una cosa”. Tal vez hablaré de eso también; Primero tratemos con las cosas que encontramos dentro del universo.
La pregunta podría cambiar un poco: ¿por qué las cosas parecen ser de cualquier tamaño que deseamos considerar? ¿Por qué hay cosas muy, muy pequeñas y también muy, muy grandes?
La respuesta es principalmente esto: porque las cuatro fuerzas fundamentales en el universo (que conocemos) tienen fuerzas muy, muy diferentes y, a su vez, tienden a tener regímenes de tamaño donde son dominantes (o al menos significativos). La regla general es que cuanto más fuerte es la fuerza, más corta es la distancia característica. Esto tiene un sentido intuitivo: cuanto más fuerte es el vínculo entre dos cosas, más difícil es separarlas.
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La fuerza nuclear fuerte es tan fuerte que une quarks en hadrones como el protón y el neutrón. Al igual que un átomo de hidrógeno con un protón y un electrón es neutral (en la aproximación de orden más bajo), también aquí queda poca “carga de fuerza fuerte” para interactuar. El sistema electrón-protón, por supuesto, no es lo mismo que no tener carga, y si tiene cuidado al respecto, encontrará que tener las dos cargas no coinciden exactamente en un momento dipolar y las fuerzas de Van der Waals que son importantes para la forma en que los átomos interactúan entre sí y las moléculas se forman (estas fuerzas sobrantes mueren más rápido que las [matemáticas] 1 / r ^ 2 [/ matemáticas], por cierto). Del mismo modo, la mayor parte de la fuerza fuerte se “agota” en el hadron, pero los hadrones pueden interactuar a través del intercambio de piones.
La fuerza nuclear débil es extraña porque las partículas que transmiten esa fuerza son masivas (gracias al mecanismo de Higgs) y se descomponen rápidamente.
La fuerza electromagnética gobierna el tamaño de los átomos.
En escalas más grandes que eso, en general las cosas tienden a ser “neutrales” con respecto a estas fuerzas, dejando solo la gravedad. Tenga en cuenta que, a diferencia de las otras fuerzas, la gravedad siempre es atractiva . No es posible ser “neutral” con respecto a la gravedad. Entonces, los primeros tres tipos de cada uno se cancelan en cualquiera de sus escalas características (por ejemplo, tamaño de un protón, tamaño de un átomo), con algo sobrante (para formar enlaces moleculares, por ejemplo) que muere rápidamente con la distancia, pero la gravedad sigue aglutinando cosas, haciéndose más fuerte. Esto es, por supuesto, el responsable de la formación de planetas, estrellas, etc.
En algún momento se juntan suficientes cosas y comienza a producir fusión de hidrógeno en helio y se pasa de un gigante gaseoso como Júpiter a una estrella. El tamaño de la mayoría de las estrellas está determinado por un equilibrio entre su gravedad y la presión de radiación exterior generada por la fusión en el interior, pero puede estar en equilibrio con algo más, como la presión de degeneración cuántica asociada con el principio de exclusión en el caso de las estrellas de neutrones. Y su clasificación en tipos generalmente también se debe simplemente a que hay masas o densidades críticas en las que se favorece enérgicamente algún nuevo proceso físico (como cuando se favorece la fusión y un gigante gaseoso se enciende en una estrella). Esto también es cierto para el cruce en el régimen en el que se formará un agujero negro. La gravedad tiene una cierta resistencia y eso significa que una cantidad dada de gas hidrógeno tenderá a tener un cierto volumen.
Explicar la estructura en la escala de las galaxias y los cúmulos comienza a ser complicado, pero la mayoría de la gente piensa que sigue siendo la gravedad habitual, pero con mucha masa extra por ahí que no vemos (materia oscura). La teoría de la inflación cósmica es popular porque proporciona una explicación tanto para la homogeneidad a gran escala (en densidad y temperatura, por ejemplo) como para las desviaciones de esa homogeneidad (es decir, la estructura a gran escala en escalas galácticas). En esta teoría, el universo experimentó un estallido de expansión alucinante muy temprano en su historia, por lo que hoy parece sorprendente que las regiones del espacio que parecen no estar causalmente relacionadas, es decir, que estén demasiado separadas para que incluso la luz haya viajado entre ellas. ellos en toda la historia del universo, en realidad habrían estado muy cerca antes de la inflación. Así habrían tenido la oportunidad de entrar en equilibrio térmico. Al mismo tiempo, las fluctuaciones cuánticas que ocurren constantemente, incluso en el vacío, habrían explotado enormemente, tan enormemente que proporcionaron las inhomogeneidades que sirvieron como semillas de estructura en la escala de los cúmulos de galaxias.
También hay cosas que decir sobre los organismos biológicos. Sus tamaños tienen mucho que ver con la fuerza de la gravedad en la superficie del planeta, y con sus metabolismos, con el hecho de que la proporción de volumen a área crece con el tamaño creciente (~ r ^ 3 vs r ^ 2, que Galileo parece haber sido el primero en señalar), con el contenido de la atmósfera, con otras presiones evolutivas … Pero un biólogo o alguien podría decir más sobre eso que yo.
Nina Arkani-Hamed habla sobre querer entender por qué hay un universo macroscópico. Dado que la gravedad curva el espacio, podríamos preguntarnos por qué en general nuestro universo parece tan plano (la inflación también tiene una posible respuesta para eso), y por qué nuestro universo entero no está tan curvado que no podrías dar un paso adelante en una dirección sin dar la vuelta al universo y terminar de nuevo donde comenzaste (en realidad, incluso mucho más pequeño de lo que sugiere).
