Nota: La pregunta fue editada después de que escribí mi respuesta. La línea “¿Por qué los electrones tienen carga eléctrica?” fue agregado a la descripción de la pregunta. La respuesta a esa pregunta es básicamente “no sabemos”. Para obtener respuestas más detalladas, busque Quora.
Una característica muy importante de los campos cuánticos es que interactúan entre sí. Si los campos no interactuaran con otros campos, ¡el universo habría sido un lugar muy aburrido!
El electromagnetismo, así como las fuerzas débiles y fuertes, son interacciones fundamentales que se manifiestan cuando una partícula interactúa con otra intercambiando un bosón de calibre del campo de calibre apropiado. (Los campos de indicador son los campos de “fuerza”, como el campo electromagnético, y los bosones de indicador son sus cuantos o excitaciones).
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Entonces, cuando dos electrones interactúan a través de la fuerza electromagnética, de hecho intercambian fotones, que son los cuantos del campo electromagnético. No hay forma en que la interacción electromagnética pueda ocurrir que no sea un intercambio de fotones.
Esto se ilustra en los siguientes diagramas de Feynman:
En ambos diagramas, las flechas negras representan electrones y positrones, mientras que la línea ondulada azul representa el fotón intercambiado. El tiempo pasa de izquierda a derecha. (Fuente: diarios cuánticos)
Ahora, la razón por la que los electrones interactúan con los fotones (o, de manera equivalente, el campo de electrones interactúa con el campo electromagnético) es que los electrones tienen carga eléctrica . Por definición, todas las partículas que tienen carga eléctrica interactúan con el campo electromagnético con una fuerza proporcional a su carga eléctrica. (Los positrones son como electrones, pero con carga positiva en lugar de carga negativa).
Las partículas no cargadas, como los neutrinos, no interactúan con el campo electromagnético y, por lo tanto, no pueden intercambiar fotones con otras partículas. (Sin embargo, los neutrinos interactúan con otras partículas a través de la fuerza débil; esta fuerza está mediada por los bosones de calibre W y Z).
TL; DR: La electricidad involucra electrones porque los electrones tienen carga eléctrica, y cualquier partícula cargada interactúa con otras partículas cargadas a través del campo electromagnético, mediante el intercambio de fotones.
Ver también: la respuesta de Barak Shoshany a ¿Cuál es la relación entre una partícula y un campo? ¿Son fundamentalmente diferentes o son simplemente dos formas de modelar un solo fenómeno? ¿Las propiedades de una partícula son “autodeterminadas” o están determinadas por las propiedades de su campo?