Hace poco hablaba con mi hermano y surgió el tema de qué son en realidad los electrones. Como precedente, ya hemos visto en otras entradas que estas partículas no son simples bolitas que dan vueltas alrededor del núcleo de los átomos igual que los planetas giran alrededor del sol y que están mejor definidos por una función estadística mientras no interaccionan con nada.
O sea que, si nos ponemos tiquismiquis, la pregunta que nos rondaba la cabeza era más o menos esta: ¿qué aspecto tendría un electrón si pudieras aislarlo mientras se está comportando como una partícula y observarlo a través de un microscopio extremadamente potente?
Y la verdad es que el tema me pareció interesante, así que hoy no sólo quería hablar de los electrones, sino del «aspecto» que tienen las partículas en general y que componen todo lo que nos rodea.
En primer lugar, es probable que os hayáis encontrado la palabra partícula usada para describir dos cosas que, en realidad, son bastante distintas: las partículas fundamentales y las partículas compuestas. Si estáis familiarizados con el tema, sabréis que esta ambigüedad no tiene importancia, porque el tipo de partícula al que nos referimos se entiende por el contexto pero, en cualquier caso, la diferencia entre ambas es que, mientras las partículas fundamentales son elementos indivisibles, las partículas compuestas son agrupaciones de partículas fundamentales.
Por ejemplo, los protones y los neutrones que forman el núcleo de los átomos son partículas compuestas, porque están hechos de unas partículas aún más pequeñas llamadas quarks. Los electrones, en cambio, son partículas fundamentales que no pueden ser divididas en unidades más pequeñas.
Y, ahora que hemos aclarado esto, podemos empezar a hablar del aspecto que tienen las partículas fundamentales.
En mi segundo libro (guiño, guiño) menciono, entre otras cosas, el Modelo Estándar de Partículas, el modelo que describe cómo varios tipos de partículas fundamentales interaccionan entre ellas para dar lugar a todo lo que nos rodea. El modelo contiene las 16 partículas de la siguiente imagen, además del famoso bosón de Higgs.
(Fuente)
Algunas de estas partículas fundamentales son muy conocidas, como los electrones (en verde, abajo a la izquierda), que tienen carga negativa y dan vueltas alrededor del núcleo de los átomos, pero también existen otras partículas que pertenecen a la misma «familia» que puede que no os suenen, como los distintos tipos de neutrinos, los muones o los tauones.
Pues no, no me suena haberlos visto en los dibujos de los átomos ni nada por el estilo. ¿Estas partículas sirven para algo realmente?
Bueno, los neutrinos no forman parte de los átomos, pero son emitidos durante las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en el núcleo de las estrellas. De hecho, como comentaba en esta otra entrada, el sol emite cantidades ingentes de neutrinos sin parar. Por otro lado, debido a su carga negativa, los muones y los tauones pueden llegar a sustituir algunos electrones de un átomo si se dan unas condiciones muy concretas, formando átomos exóticos que son más pequeños de lo normal, porque estas partículas son mucho más masivas que los electrones.
Un átomo de hidrógeno corriente (izquierda) y un átomo muónico de hidrógeno (derecha). (Fuente)
De todos modos, no esperéis encontrar átomos exóticos en vuestro día a día, porque sólo son estables durante una fracción de segundo debido a que, al contrario que los electrones, los muones y los tauones no son estables y se desintegran muy rápidamente.
Por otro lado, el Modelo Estándar también describe los 6 tipos de quarks, que…
Bueno, de esos ya hablarás luego, no te preocupes. De momento, céntrate en la pregunta que te ocupa y no te vayas más por las ramas: ¿qué pinta tienen estas partículas fundamentales que lo componen todo?
Vaaale, vale, voz cursiva. En general, se asume que las partículas son puntos sin dimensión y, por tanto, que no tienen un volumen o una longitud. Pero, ojo, que eso no significa que las partículas fundamentales sean «invisibles», porque tienen otras propiedades que sí que se manifiestan a su alrededor, como su carga eléctrica.
Pongamos como ejemplo el caso de los electrones. Al ser una partícula fundamental, nunca podríamos observar un electrón en sí, por mucho que ampliáramos su imagen, porque estaría confinado en un punto infinitamente pequeño. Pero, como, los electrones tienen carga eléctrica, podríamos ver el campo eléctrico que los rodea. Por tanto, a medida que hiciéramos «zoom» sobre un electrón, veríamos ese campo eléctrico ampliándose ante nuestros ojos, pero el punto infinitesimal en el que está contenida la partícula siempre tendría el mismo tamaño aparente (porque lo infinitamente pequeño siempre parece tener el mismo tamaño, por mucho que te acerques).
Esta misma idea se puede aplicar al resto de partículas subatómicas. Los quarks, por ejemplo, también serían puntos infinitesimales, pero no sólo estarían rodeados por un campo eléctrico, sino también por un «campo de color» que produce la fuerza nuclear fuerte (la que mantiene a los quarks unidos para que puedan formar protones y neutrones).
Por tanto, el consenso actual es que las partículas fundamentales no son objetos con un tamaño concreto y unas fronteras definidas, sino unos puntos infinitesimales rodeados de los campos que les corresponden, según sus propiedades. Si estáis interesados en entrar en detalles más técnicos, este enlace del Fermilab tiene una definición más exacta del campo que rodea las partículas y cómo interacciona con sus alrededores.
Ahora bien, existe otra interpretación distinta del mundo subatómico que pinta la partículas de manera diferente: la Teoría Cuántica de Campos es un modelo que describe las partículas no como objetos puntuales, sino como perturbaciones en los distintos campos que permean el universo.
¿Y qué se supone que signi…?
Paciencia, voz cursiva. Ya hemos visto en otras entradas que la gravedad no es realmente una fuerza, sino una distorsión del tejido del espacio-tiempo que inunda el universo. De manera similar, la Teoría Cuántica de Campos postula que existen otros «tejidos» o «campos» en el espacio y que cada uno de ellos se corresponde con unas propiedades distintas de las partículas. En este escenario, cuando una serie de campos determinados se ven perturbados en una región concreta del espacio, estas ondulaciones se combinan para dar lugar a una perturbación que se corresponde a una partícula u otra. Para haceros una idea lejana del aspecto que tendrían estas perturbaciones, os remito a esta animación.
Esta interpretación tiene ventajas sobre la visión de las partículas puras porque, por ejemplo, hay quién defiende que elimina la confusión de la dualidad onda-partícula: como en este modelo las partículas no están confinadas en un punto adimensional, sino que son meras perturbaciones en diferentes campos, los «extraños» resultados observados en algunos experimentos como el de la doble rendija dejan de ser tan raros.
O sea, que las partículas fundamentales pueden tener dos «aspectos», según cómo se interpreten: o son puntos infinitesimales rodeados de una nube que manifiesta algunas propiedades de la partícula (que es el concepto que más se suele utilizar) o son pequeñas perturbaciones de los diferentes campos que permean el universo.
Captado. ¿Y qué hay de las partículas compuestas, como los protones o neutrones? ¿Esas qué pinta tienen?
En primer lugar, sólo los quarks se pueden unir entre ellos para formar partículas compuestas. A estas agrupaciones de quarks se les conoce con el nombre de hadrones y están divididos en dos grupos, en función del número de partículas fundamentales que contienen: los bariones están compuestos por 3 quarks y los mesones contienen sólo 2.
Entonces, el LHC es el Gran Colisionador de Hadrones porque…
Exacto, voz cursiva, porque estrella partículas compuestas para ver qué partículas fundamentales salen despedidas tras la colisión.
Los hadrones más conocidos son los protones y los neutrones (que, a su vez, son bariones porque contienen 3 quarks en su interior), pero los 6 tipos de quarks que existen pueden combinarse de muchas maneras distintas, formando una gran variedad de bariones y mesones.
Eso sí, de todos estos tipos de partículas compuestas, sólo los protones (y los antiprotones) son estables en estado libre. Los siguientes bariones más estables son los neutrones, que se desintegran en unos 10 minutos cuando no están confinados en el núcleo de un átomo… Y los demás hadrones apenas sobreviven durante una fracción de segundo, como podéis ver en esta lista y esta otra.
Ahora bien, el aspecto de estas partículas compuestas depende de cómo se estén comportando los quarks que contienen en su interior en ese momento. Por ejemplo, como comentaba El Robot de Platón en este vídeo, los protones no tienen por qué ser pequeñas esferas, sino que pueden adoptar forma de cacahuete o de dónut, según lo que estén haciendo los quarks que contienen.
Distintas formas que pueden adoptar los protones. (Fuente)
Por otro lado, al contrario que las partículas fundamentales, que están confinadas en puntos infinitesimales, las partículas compuestas sí tienen un tamaño y un volumen determinados, aunque sus fronteras son borrosas. De hecho, me gusta la analogía que usan en el Fermilab para describir las partículas compuestas: distinguir dónde acaba la atmósfera de un planeta lejano y dónde empieza su superficie es difícil, pero se sabe que la atmósfera difusa tiene unos pocos kilómetros de grosor. Del mismo modo, el borde de una partícula compuesta también es difuso, pero se sabe que representa una porción pequeña de su diámetro total.
En definitiva, en cuanto al «aspecto» de las partículas fundamentales y compuestas, parece que la cosa quedaría así (aunque las partículas fundamentales también se pueden interpretar como si fueran perturbaciones, como había mencionado):
Aunque a este diagrama habría que añadir que las partículas compuestas no siempre tienen forma esférica. (Fuente)
Y creo que el tema ha quedado más o menos resumido, así que aquí termina la entrada de hoy. Pero, antes de pasar a la publicidad de siempre, quería dejar caer que Ciencia de Sofá también tiene un canal de Youtube… Por si os quisierais suscribir para estar al día de los vídeos que voy subiendo (guiño, guiño).
26 comments
Bueno, si la teoría de cuerdas o similar fueran ciertas, el electrón no tendría forma de cuerda bidimensional?
Si eres capaz de explicar «, que es una cuerda bidimensional» yo te explico el resto.
Se podría pensar según la idea aquí presentada (que me ha parecido muy interesante) que una partícula que produzca una interacción como la electromagnética, que sería realmente una excitación del campo electromagnético en un punto. De tal forma que se genera un campo electromagnético «puntual», que es detectable. Y sería aquél que al acercarse y acercarse a su centro, aumenta la intensidad del campo, hasta el momento en el que el campo comienza a decrecer en intensidad; ese punto infinitamente pequeño en el que la intensidad para de crecer y comienza a decrecer sería el electrón. Eso ayudaría a ver el concepto de excitación del campo.
Otro tema interesante sería pensar en qué hace que cualquier campo cuántico se excite puntualmente, y cómo se manifiesta si no está excitado en un punto.
En principio esto está claro con el campo de Higgs, que siempre actúa dando la masa a las partículas que interaccionan con él. El bosón de Higgs sería simplemente una excitación puntual y discreta sin mayor importancia. Pero, ¿Qué ocurre con una carga eléctrica?
Tengo una pregunta…
¿El fotón es materia o es energía?
El fotón es energía. La famosa fórmula E=mc² tan sólo es correcta en las condiciones descritas por Einstein en su relatividad especial, «simplificación» de la relatividad general. La fórmula correcta es E=mc²/(1-v²/c²)½. Ese cociente se llama factor de Lorentz. Como los fotones no tienen masa y viajan a la velocidad de la luz (obviamente), aplicando la fórmula se llega al resultado E=0/0, que es una indeterminación. Eso simplemente indica que la fórmula no es válida para realizar ese cálculo. La energía de un fotón se calcula con la fórmula E=hʋ, donde h es la constante de Planck y ʋ es la frecuencia del fotón. Hay otras fórmulas para ese cálculo, pero esta creo que es la más simple.
Te contesto como aficionado a la ciencia desde la barra del bar:
Dualidad onda-corpúsculo. Se comporta de las dos formas dependiendo de la forma de observarlo.
Es una partícula sin masa, razón por la que su velocidad se estima como la máxima ya que acelerar una masa a esa velocidad requeriría energía infinita.
Si me equivoco, que me corrijan, por favor.
Hola, desde el respeto, no quisiera inmiscuirme en tus creencias pero pienso que esa forma de expresarte es la que no nos permite avanzar en la ciencia. Por definición una partícula sin masa es una incongruencia. Al final las cosas no dependen de cómo se observan, las cosas son solo de una forma y la verdad universal no depende del observador. Porqué no pensamos con lógica en lugar de intentar demostrar todo con ecuaciones ? Primero entendamos el fenómeno y después lo cuantificados con ecuaciones. Un saludo.
Hola Angel. Según entiendo en el artículo, en él se presenta una tabla con las «partículas fundamentales» conocidas en 2008. En dicha tabla hay 2 partículas con masa 0: Fotón y Gluón…Yo pienso que la tabla debe de ser correcta, aunque no tengo conocimientos para demostralo, ¿no te estarás equivocando en tú argumento cuando dices «Por definición una partícula sin masa es una incongruencia»?
Saludos
Hola de nuevo, existen algunas partículas para las cuales los científicos han podido demostrar magnitudes como masa, diámetro etc. Pero existen otras como quarks, nuones y otras que solo se las imagina o se prevé que puedan existir. En cuanto a partículas sin masa te diré que pruebes a imaginar una. La mente humana prácticamente no tiene fronteras y la imaginación es mil veces más potente que el mejor microscopio. Naturalmente ni tu ni yo tenemos un laboratorio para poder rebatir las teorías actuales, lo cual quiere decir que practicamos física teórica. Para terminar diré que nunca aceptaré conclusiones que se aparten de la lógica. Hablar de una partícula sin masa es como imaginar un ordenador sin hardware. Saludos
«Hablar de una partícula sin masa es como imaginar un ordenador sin hardware»
¿has oido hablar de las máquinas virtuales?
Hola por supuesto que he oído hablar de máquinas virtuales. Son capaces de emular el funcionamiento de muchos procesos pero todas se apoyan en un hardware. La mejor máquina virtual que conozco es la imaginación e incluso ésta se apoya en el cerebro. Conoces tú alguna máquina virtual que funcione en el más absoluto vacío sin ningún soporte físico ??.
Un saludo.
¿Cuán seguros podemos estar de que estas «partículas fundamentales» no se dividen en partículas «más fundamentales todavía»?
He flipado con lo de la desintegración de los neutrones libres, ¿podrías explicarlo en detalle?
Muchas gracias
Prueba a imaginar un neutrón como una nube dentro de un globo. Este globo está rodeado por otros creando una presión mutua. Dicho neutrón solo es algo cuando está confinado de esta forma. Si lo sacas del átomo, al no tener la presión de sus compañeros, explota y se disuelve. De esta forma su materia pasa a formar parte del fluido universal. Dicho fluido me atrevo a decir que está formado por partículas tan pequeñas como el más pequeño de los pensamientos. Por cierto existen partículas más pequeñas que no necesitan tener compañía para ser estables como protones, electrones etc. Digamos que estos otros globos no están tan hinchados y al expandirse no explotan.
Buenas, ¿Qué sucede cuando las partículas se «desintegran»?¿Se sabe algo del proceso? Saludos.
Se transforman en energía o en energía y otras partículas
Cuánto tiempo llevan Vds. Pensando en todo esto ?
Partículas indivisibles ? No existe ninguna partícula indivisible ni siquiera un electrón, muon, quark etc.
Una partícula siempre es un conjunto de otras. Las partículas por así llamarlas tienen una forma bien definida en función de su posición, fuera o dentro del átomo. Diré también que no existe energía sin la presencia de materia. Para la gravedad existen definiciones que rozan lo espiritual. Bueno ya vale por hoy. En mi teoría del Génesis algún día explicaré el resto. Saludos
Cuando se dice que las partículas fundamentales son infinitamente pequeñas me deja la sensación de que, en cualquier teoría física, podríamos sustituir el concepto de infinito por el concepto «no tenemos ni idea»
«son pequeñas perturbaciones de los diferentes campos que permean el universo». me parece la más cercana a la realidad , porque hablar de corpúsculo es imposible .
las partículas son excitaciones de los campos que permean el tejido espacial con atributos como la carga ,la masa el spin etc . por ejemplo la masa se las entrega el campo de Higgs cuando la tienen . por tanto me parece más importante hablar de campos que de partículas.
gracias , muy buena la entrada ésta , hace tiempo esperaba un hilo como este . a ver si me sacas de esta duda : ¿qué porcentaje representan los tres Quarks cargados con el campo de Higgs dentro de los nucleones y en qué consiste o de qué naturaleza es el resto?
Uff, vaya pregunta difícil. Para empezar te diré que no creo en la teoría de los quarks y tampoco en las cargas eléctricas. Una vez oído esto no sé si querrás oír lo siguiente pues ya se que suena a tontería. Según mi teoría (todavía no publicada) después del Big Bang, se crearon infinidad de partículas estables agrupándose en familias más grandes hasta llegar al protón. Ésta partícula fue la culminación del proceso y fue la precursora de toda la materia conocida. Existen otras partículas estables como el electrón que son consecuencia del núcleo. El resto de nucleones no estables como el neutrón solo sirven para rellenar los huecos. Cuántas partículas existen en el núcleo será algo que nos llevará muchos años y nunca acabaremos por conocer al completo. Perdona que no sea más explicito pero como te decía, mi teoría todavía no está publicada y prefiero dejarlo aquí.
Esa nube que representa atributos como carga y magnetismo por ejemplo , corresponde a partículas virtuales del vacío cuántico . Incluso al interior de los hadrones también aparecen y desaparecen esas partículas virtuales , eso quiere decir que esa «puntualidad» o independencia de las partículas es aparente . Se deben a su correspondiente campo . Gracias por tratar este interesante tema . Te felicito .
se desprende de esto entonces : que cuando le das la mano a alguien los electrones en la superficie de ambas manos nunca hacen contacto , ya que las nubes de partículas virtuales que rodean a los electrones lo impiden .
la idea que tenía de la materialidad de las cosas se desvanece completamente . pareciera ser todo una ilusión .
Don’t feed the trolls!!!
a ver si comprendo : electrones y quarks reciben del campo de Higgs la masa , no así los fotones … gracias por compartir conocimiento.