Nuestros mejores programadores han agotado sus depósitos de café, en su búsqueda diariamente por la resolución, hasta que Jairo encontró el hallazgo en Gogs y en este momento la comparte con nosotros.
Solución:
Bueno, no tiene nada que ver con el Higgs, pero es debido a algunos hechos profundos en relatividad especial y mecánica cuántica que son conocido. Desafortunadamente, no sé cómo hacer la explicación realmente simple, aparte de relatar algunos hechos más básicos. Quizás esto te ayude, quizás no, pero esta es actualmente la explicación más fundamental que se conoce. Es difícil hacer que esto sea realmente convincente (es decir, que parezca tan inevitable como está) sin las matemáticas:
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Ahora se entiende que las partículas y las fuerzas son el resultado de campos. Campos cuánticos para ser exactos. Un campo es un objeto matemático que toma un valor en cada punto del espacio y en cada momento del tiempo. Los campos cuánticos son campos que transportan energía e impulso y obedecen las reglas de la mecánica cuántica. Una consecuencia de la mecánica cuántica es que un campo cuántico transporta energía en “bultos” discretos. A estos bultos los llamamos partículas. Incidentalmente, esto explica por qué todas las partículas del mismo tipo (por ejemplo, todos los electrones) son idénticas: todas son masas en el mismo campo (por ejemplo, el campo de electrones).
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Los campos toman valores en diferentes tipos de espacios matemáticos que se clasifican por relatividad especial. El mas simple es un escalar campo. Un campo escalar es un número simple en cada punto del espacio y del tiempo. Otra posibilidad es una vector campo: estos asignan a cada punto en el espacio y el tiempo un vector (una flecha con magnitud y dirección). También hay posibilidades más exóticas. El término de la jerga para clasificarlos a todos es girar, que viene en unidades de la mitad. Entonces puedes tener campos de giro $ 0, frac 1 2, 1, frac 3 2, 2, cdots $. Girar $ 0 $ son los escalares y el giro $ 1 $ son los vectores.
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Resulta (esta es otra consecuencia de la relatividad) que las partículas con espín medio entero ($ 1/2, 3/2, cdots $) obedecen al principio de exclusión de Pauli. Esto significa que no hay dos partículas idénticas con espín. $ 1/2 $ puede ocupar el mismo lugar. Esto significa que estas partículas a menudo se comportan como esperas. clásico partículas para comportarse. Llamamos a estas partículas de materia, y todos los bloques de construcción básicos del mundo (electrones, quarks, etc.) son espín. $ 1/2 $.
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Por otro lado, las partículas de espín entero obedecen a las estadísticas de Bose-Einstein (de nuevo una consecuencia de la relatividad). Esto significa que a estas partículas “les gusta estar juntas”, y muchas de ellas pueden juntarse y formar grandes movimientos ondulantes más análogos a los clásicos. campos que las partículas. Estos son los campos de fuerza; las partículas correspondientes son los portadores de fuerza. Ejemplos: girar $ 0 $ Higgs, giro $ 1 $ fotones, partículas de fuerza débil $ W ^ pm, Z $, y la fuerza fuerte transporta los gluones, y gira $ 2 $ el gravitón, portador de la gravedad. (Este hecho y el anterior se denominan teorema de estadística de espín).
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Ahora la interacción entre dos partículas con “cargas” $ q_ 1,2 $ va como $ mp q_1 q_2 $ por todas las fuerzasesta es una consecuencia de la mecánica cuántica), pero el signo es complicado de explicar. Debido a la relatividad especial, la interacción entre una partícula y un portador de fuerza tiene que tomar una forma específica dependiendo de la girar del portador de fuerza (esto tiene que ver con la forma en que el espacio y el tiempo se unifican en una sola cosa llamada espacio-tiempo). Por cada unidad de giro que tiene el portador de fuerza, debes introducir un signo menos (este signo menos proviene de una cosa llamada “métrica”, que en relatividad te dice cómo calcular distancias en el espacio-tiempo; en particular, te dice cómo el espacio y el tiempo son diferentes y en qué se parecen). Así que para girar $ 0 $ obtienes un $ – $: las cargas iguales se atraen. Para girar $ 1 $ obtienes un $ + $: ¡las cargas iguales se repelen! Y para girar $ 2 $ obtienes un $ – $ de nuevo: las cargas iguales se atraen. Ahora bien, para la gravedad, la “carga” generalmente se llama masa, y todas las masas son positivas. ¡Entonces ves que la gravedad es universalmente atractiva!
Entonces, en última instancia, este signo proviene del hecho de que los fotones tienen una unidad de espín y del hecho de que las interacciones entre los fotones y las partículas de materia tienen que obedecer las reglas de la relatividad especial. Observe la notable interacción de la relatividad y la mecánica cuántica en funcionamiento. ¡Cuando se combinan, estos dos principios son mucho más restrictivos que cualquiera de ellos individualmente! De hecho, es bastante notable que se lleven bien juntos. Una forma poética de decir que es el mundo es un delicado baile entre estos dos socios.
Ahora bien, ¿por qué generalmente se atraen los átomos y las moléculas? ¡Esta es en realidad una pregunta más complicada! 😉 (Porque hay muchas partículas involucradas.) La fuerza entre átomos es la residual fuerza eléctrica que queda después de que los electrones y los protones casi se anulan entre sí. Así es como se piensa: los electrones de un átomo son atraídos por los núcleos de ambos átomos y, al mismo tiempo, son repelidos por los otros electrones. Entonces, si los otros electrones se alejan un poco, habrá un ligero desequilibrio de carga en el átomo y, después de que se resuelvan todos los detalles, esto da como resultado una fuerza de atracción neta, llamada fuerza de dispersión. Hay varios tipos diferentes de fuerzas de dispersión (London, van der Waals, etc.) dependiendo de los detalles de la configuración de los átomos / moléculas involucrados. Pero todos se deben básicamente a interacciones electrostáticas residuales.
Lectura adicional: Recomiendo los artículos pedagógicos de Matt Strassler sobre física de partículas y teoría de campos. Hace un gran trabajo explicando las cosas de una manera honesta con muy poca o ninguna matemática. El argumento que expuse anteriormente está cubierto de alguna manera en casi todos los libros de texto sobre teoría cuántica de campos, pero una exposición particularmente clara en este sentido (con las matemáticas incluidas) se encuentra en la teoría cuántica de campos de Zee en pocas palabras. Aquí es donde recomendaría comenzar si desea aprender honestamente estas cosas, matemáticas y todo, pero esto es un libro de texto de física avanzada (a pesar de estar escrito en un estilo maravilloso y muy accesible), por lo que probablemente necesite al menos dos años de licenciatura en física y un esfuerzo concertado para avanzar en él.
Una respuesta de los experimentalistas:
¿Por qué cargas eléctricas iguales / opuestas se repelen / atraen entre sí, respectivamente?
Porque los físicos cuidadosos han realizado un número innumerable de observaciones y han descubierto que eso es lo que hace la naturaleza. Hay una larga historia de observaciones antes de que cualquier teoría pudiera solidificarse. Observaron el comportamiento de atracción con algunos tipos, repulsión con otros y definieron el + y – para separar los dos conjuntos.
La teoría electromagnética clásica modeló muy bien el comportamiento de las cargas, con las ecuaciones de Maxwell. Muestran cómo, cuando existen cargas positivas y negativas en la naturaleza, se pueden modelar con soluciones matemáticas precisas de las ecuaciones y uno podría pensar que su “por qué” sería respondido por “porque cumplen las ecuaciones de Maxwell”.
Luego, la mecánica cuántica surgió como una teoría matemática revolucionaria para describir los fenómenos medidos en el microcosmos, incluidas las partículas elementales cargadas, y se desarrolló una teoría como se explica en la respuesta de Michael Brown anterior, que nuevamente modela extremadamente bien el comportamiento de las partículas cargadas, y su “por qué “se puede responder por” porque cumplen ecuaciones electrodinámicas cuánticas “.
Debe percibir entonces que el “por qué se atraen cargas opuestas” con la respuesta “porque eso es lo que hemos observado” se convierte en “porque hemos modelado matemáticamente las observaciones con éxito”. Entonces la pregunta es por qué este modelo matemático, y la respuesta es “porque describe las observaciones”, circular.
Estoy señalando que las preguntas sobre “por qué” no se pueden responder con física. La física se puede modelar matemáticamente con éxito con postulados y, utilizando el modelo, se puede mostrar cómo se puede predecir con precisión el comportamiento de las cargas positivas y negativas en todo tipo de condiciones experimentales, pero no “por qué” existen. El por qué obtiene la respuesta “porque eso es lo que hemos observado que hace la naturaleza”.
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