Tengo entendido que los electrones son partículas, y también tengo entendido que su ubicación mientras orbitan un átomo no se puede determinar con precisión y debe ser determinada por la estadística y la probabilidad, casi como los electrones pueden estar en varios lugares al mismo tiempo. Eso me hizo pensar, hmm, ¿podrían los electrones existir más como manchas en lugar de partículas con bordes duros? Una mancha puede estar en más de un lugar a la vez. La única diferencia es que una mancha no tiene un borde duro como lo tendría una partícula esférica. Sería una especie de "mezcla" de materia y espacio. También me pregunto si tal vez las manchas demostrarían propiedades ondulatorias que las partículas de bordes duros no pueden. ¿Existe algún conocimiento que afirme que las partículas de materia deben tener un borde duro o no pueden tenerlo?
Respuestas
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Éste es uno de los resultados clave de la teoría cuántica de campos: las partículas no son puntos únicos, sino perturbaciones en campos cuánticos que se extienden por el espacio. Por lo general, la perturbación no está muy extendida, pues de lo contrario se parece más a lo que conocemos como una onda que a una partícula. El término técnico para lo que llamas "mancha" es wavepacket .
De hecho, la relatividad exige que cualquier objeto con una extensión física distinta de cero sea deformable (pero véase más adelante); de lo contrario, al empujar sobre él se puede transmitir energía e información más rápido que la luz. Y la mecánica cuántica rige en esas escalas, así que todo hace tienen bordes difusos. En la escala de lo muy pequeño no hay objetos bien definidos.
Una consecuencia de esto es que se requiere que todas las partículas fundamentales sean adimensionales.
Por desgracia, esto introduce un sinfín de singularidades en las matemáticas, por lo que el plan es encontrar una teoría que pueda combinar la relatividad y la mecánica cuántica a muy pequeña escala de manera que se preserve la localidad y se eviten todas esas divergencias. El mejor producto hasta la fecha es la teoría de cuerdas.
Me gusta tu forma de pensar, pero me gustaría intentar abrir tu mente un poco más.
Muchos de nuestros conceptos cotidianos son producto del comportamiento neto de miles de millones de partículas que siguen las leyes de la física. Por ejemplo, consideremos una bola de acero. Tiene un "borde duro". ¿Qué significa esto? Significa que otra bola puede estar en cualquier lugar fuera del borde duro, pero no puede superarse. ¿Por qué es así? Porque hay miles de millones de átomos de hierro y carbono en una disposición estable que no lo permite (sin un enorme aporte de energía). Ahora imagina dos bolas de algodón. Tienen "bordes difusos" y, por tanto, pueden superponerse un poco. ¿Por qué? Porque sus partículas se reorganizan con una inversión mínima de energía.
Si asumimos (a efectos de argumentación) que los electrones son partículas fundamentales que no están hechas de partículas más pequeñas, entonces no hay nada que dar un "borde duro" o un "borde difuso". Ciertamente, tienen un efecto sobre las partículas que las rodean, al igual que Júpiter tiene un efecto sobre la Tierra. Pero el hecho de que Júpiter sea una "mancha" (está hecho de gas) y la Tierra tenga un borde duro, ¡no significa que los electrones tengan ninguna forma física!
La lección aquí es que los conceptos que parecen aplicarse a todos los objetos de nuestra experiencia, como el volumen, la densidad y la forma, no son necesariamente "universales" y no hay razón para esperar que se apliquen a las propias partículas que los originan.
Los electrones tienen un posición aunque no es un tradicional coordenadas sino un conjunto de distribuciones de probabilidad. Esto es no la forma del electrón. Es su ubicación. Sin una forma, ¿cómo podemos visualizar lo que ocurre en el mundo subatómico?
Bueno, déjame preguntarte esto. ¿Tiene tu grupo de amigos una forma? Podrías escribir sus nombres en una lista, o en un círculo, ordenados de innumerables maneras, pero no habría nada que te permitiera visualizar la "realidad física", salvo quizá un mapa de todas sus ubicaciones actuales. Ese mapa te diría muy poco sobre el sistema. Incluso las fotografías de todos tus amigos te dirían muy poco sobre ellos. En cambio, conocer las características de cada una de las personas te permitiría comprender mucho mejor el sistema y su comportamiento.
Aunque es bueno visualizar las cosas, a veces el hecho de que no puede visualizarlos ayuda a evitar que intentemos aplicarles intuiciones inadecuadas.
(Para ampliar tu mente un poco más: Sospecho que la razón por la que parece que no podemos encontrar una teoría unificada de la física es que no estamos dispuestos a dejar de lado conceptos como posición y tiempo, lo que hace imposible imaginar las "partículas" de las que surgen el espacio y el tiempo).
No es necesario que una partícula tenga un borde duro. Puede ser, por ejemplo, una función de densidad, que se desvanece hasta llegar a cero.
Se puede observar que las ondas pueden cruzarse entre sí y salir como si la otra onda no existiera.
Las partículas con bordes duros son más un artefacto de nuestras mentes que "lo que realmente hay", hasta que consigamos alguna prueba real de lo contrario. Sin embargo, hay que tener en cuenta que las reglas de dispersión seguirían aplicándose si la partícula es nebulosa, porque en lugar de chocar contra una pared sólida y rebotar, esencialmente rueda hacia arriba en alguna colina empinada, y rueda hacia abajo en un ángulo diferente.
Es que las pelotas de tenis son más fáciles de entender, pero puede que no sean el modelo correcto en la física a escala del femtómetro.
