¿Por qué las cargas eléctricas iguales/opuestas se repelen/atraen, respectivamente?

Question

Sé que el plus aleja a otro plus, pero ¿por qué, realmente, lo hacen? Por otro lado, las moléculas del mismo tipo se atraen entre sí. Eso me parece raro.

Sé algunas cosas sobre las cuatro fuerzas universales. Pero, ¿por qué en general la "regla" general es que las cargas opuestas se atraen entre sí?

Sí, me doy cuenta de que esto podría estar relacionado con cosas muy básicas que la ciencia todavía está tratando de averiguar, y puede ser rastreado al Higgs, pero aún así, debe haber algo que contar.

Answer 1

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 por. Por desgracia, no sé cómo hacer la explicación realmente sencilla, aparte de relatar algunos hechos más básicos. Tal vez esto le ayude, tal vez no, pero esta es actualmente la explicación más fundamental que se conoce. Es difícil hacerla realmente convincente (es decir, que parezca como inevitablemente como es el caso) sin las matemáticas:

• Ahora se entiende que las partículas y las fuerzas son el resultado de [campos](https://en.wikipedia.org/wiki/Field%28physics%29)_ . 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 y momento y obedecen las reglas de la mecánica cuántica. Una de las consecuencias de la mecánica cuántica es que un campo cuántico transporta energía en "grumos" discretos. Llamamos a estos grumos partículas . Por cierto, esto explica por qué todas las partículas del mismo tipo (por ejemplo, todos los electrones) son idénticas: todas son bultos en el mismo campo (por ejemplo, el campo de los electrones).

• Los campos toman valores en diferentes tipos de espacios matemáticos que son clasificados por la relatividad especial. El más sencillo es un escalar campo. Un campo escalar es un número simple en cada punto del espacio y del tiempo. Otra posibilidad es un vector campo: estos asignan a cada punto del espacio y del tiempo un vector (una flecha con una magnitud y una dirección). También hay posibilidades más exóticas. El término de la jerga para clasificarlas todas es [girar](https://en.wikipedia.org/wiki/Spin%28physics%29)_ que viene en unidades de una mitad. Así que puedes tener campos de espín $0, \frac{1}{2}, 1, \frac{3}{2}, 2, \cdots$ . Girar $0$ son los escalares y el espín $1$ son los vectores.

• Resulta (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 $1/2$ pueden ocupar el mismo lugar. Esto significa que estas partículas a menudo se comportan como se espera clásico partículas se comporten. Llamamos a estas partículas materia, y todos los bloques de construcción básicos del mundo (electrones, quarks, etc.) son espines $1/2$ .

• Por otro lado, las partículas de espín entero obedecen Estadística 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 construir grandes movimientos ondulatorios más análogos a los clásicos campos que las partículas. Son los campos de fuerza; las partículas correspondientes son los portadores de fuerza. Ejemplos: el espín $0$ Higgs, espín $1$ fotones, partículas de fuerza débil $W^\pm, Z$ y la fuerza fuerte porta los gluones, y el espín $2$ el gravitón, portador de la gravedad. (Este hecho y el anterior se denominan teorema del espín-estático .)

• Ahora la interacción entre dos partículas con "cargas" $q_{1,2}$ va como $\mp q_1 q_2$ para todas las fuerzas ( este es una consecuencia de la mecánica cuántica), pero el signo es difícil de explicar. Debido a la relatividad especial, la interacción entre una partícula y un portador de fuerza tiene que adoptar una forma específica en función del 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 tenga el portador de fuerza hay que ponerle un signo menos (este signo menos viene de una cosa que se llama el " métrica ", que en relatividad te dice cómo calcular las distancias en el espaciotiempo; en particular te dice cómo el espacio y el tiempo son diferentes y cómo son similares). Así que para el espín $0$ se obtiene un $-$ : las cargas similares se atraen. Para el giro $1$ se obtiene un $+$ como las cargas se repelen. Y para el giro $2$ se obtiene un $-$ de nuevo: las cargas similares se atraen. Ahora bien, en el caso de la gravedad, la "carga" suele llamarse masa, y todas las masas son positivas. Así que la gravedad es universalmente atractiva.

Así que, en última instancia, este signo proviene del hecho de que los fotones llevan 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. Obsérvese la notable interacción de la relatividad y la mecánica cuántica en el trabajo. Cuando se juntan, estos dos principios son mucho más restrictivos que cualquiera de ellos por separado. De hecho, es sorprendente que se lleven bien. Una forma poética de decirlo es que el mundo es una delicada danza entre estos dos socios.

Ahora bien, ¿por qué los átomos y las moléculas se atraen generalmente? En realidad, esta es una pregunta más complicada ;) (Porque hay muchas partículas implicadas.) La fuerza entre los átomos es la residual fuerza eléctrica que queda después de que los electrones y los protones se hayan casi anulado entre sí. Así es como hay que pensarlo: los electrones de un átomo son atraídos por los núcleos de ambos átomos y al mismo tiempo repelidos por los otros electrones. Por lo tanto, si los otros electrones se alejan un poco, habrá un ligero desequilibrio de carga en el átomo y, una vez resueltos todos los detalles, esto da como resultado una fuerza de atracción neta, llamada _fuerza de dispersión_ . Existen varios tipos de fuerzas de dispersión (London, Van der Waals, etc.) en función de los detalles de la configuración de los átomos/moléculas implicados. Pero todas ellas se deben básicamente a interacciones electrostáticas residuales.

Más información: Recomiendo Artículos pedagógicos de Matt Strassler sobre física de partículas y teoría de campos. Hace un gran trabajo explicando las cosas de forma honesta y sin o con muy poca matemática. El argumento que he expuesto más arriba está cubierto de alguna manera en casi todos los libros de texto sobre teoría cuántica de campos, pero una exposición particularmente clara en esta línea (con las matemáticas incluidas) está en Quantum Field Theory in a Nutshell de Zee. Aquí es donde yo recomendaría empezar si quieres aprender honestamente estas cosas, con 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 se necesiten al menos dos años de licenciatura en física y un esfuerzo concertado para avanzar en él.

Answer 2

Una respuesta experimentalista:

¿Por qué las cargas eléctricas iguales/opuestas se repelen/atraen, respectivamente?

Porque los físicos cuidadosos han realizado un número innumerable de observaciones y han comprobado que eso es lo que hace la naturaleza. Hay una larga historia de observaciones antes de poder consolidar cualquier teoría. Observaron el comportamiento de atracción con algunos tipos , repulsión con otros y definieron el + y el - para separar los dos conjuntos.

La teoría electromagnética clásica modelaba muy bien el comportamiento de las cargas , con Ecuaciones de Maxwell . Muestran cómo, cuando las cargas positivas y negativas existen en la naturaleza, pueden ser modeladas 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 llegó la mecánica cuántica como teoría matemática revolucionaria para describir los fenómenos medidos en el microcosmos, incluidas las partículas elementales cargadas, y se desarrolló una teoría como la explicada en la respuesta de Michael Brown más arriba, que de nuevo modela extremadamente bien el comportamiento de las partículas cargadas, y tu "por qué" puede responderse con "porque cumplen las ecuaciones electrodinámicas cuánticas".

Debes percibir entonces que el "por qué las cargas opuestas se atraen" con la respuesta "porque eso es lo que hemos observado" se convierte en "porque hemos modelado matemáticamente las observaciones con éxito". Entonces la pregunta se convierte en por qué este modelo matemático, y la respuesta es "porque describe las observaciones", circular.

Estoy señalando que las preguntas de "por qué" no se pueden responder con la física. La física puede ser modelada matemáticamente con éxito con postulados y utilizando el modelo se puede mostrar cómo el comportamiento de las cargas positivas y negativas bajo todo tipo de condiciones experimentales puede ser predicho con exactitud, pero no "por qué" existen. El "por qué" recibe la respuesta "porque eso es lo que hemos observado que hace la naturaleza".

Answer 3

Pues bien, la repulsión mutua de partículas similares, como los electrones (por ejemplo), se explica comúnmente como debida a "partículas de intercambio" que median las cuatro fuerzas estándar del modelo estándar. Para la fuerza electromagnética (Coulomb) entre cargas similares (electrones) la partícula de intercambio es el fotón.

Dos electrones en la proximidad del otro "intercambian" un fotón entre sí (de ida y vuelta) que da lugar a la repulsión mutua.

Imagina a dos patinadores enfrentados sobre hielo liso. Supongamos que se lanzan una bola de bolos de 12 libras, de un lado a otro; bueno, tal vez una bola "medicinal" sería más segura.

El resultado de "intercambiar" el balón de un lado a otro, es que la reacción de lanzar el balón al otro, hace que ambos patinadores se alejen el uno del otro. Cuanto más se alejan, más difícil les resulta intercambiar la pelota, y la fuerza de repulsión entre ellos disminuye.

Cada una de las cuatro fuerzas de la naturaleza tiene su partícula de intercambio; siendo el fotón la que media la fuerza EM. Dejaré que el OP averigüe cuáles son las otras tres.

Answer 4

Se trata de la energía, en el sentido de que todo es energía positiva o negativa. Las cargas opuestas se atraen para complementar la falta o el exceso de energía.