Qué existe en el espacio entre quarks

Question

Disculpas a todos si esto se ha preguntado antes, he buscado pero no he podido encontrar uno similar.

Esta es una pregunta que me ronda la cabeza desde hace tiempo y para la que no he encontrado una respuesta adecuada.

Soy consciente de que el espacio entre el núcleo de un átomo y su nube de electrones está repleto de partículas virtuales que permiten el intercambio de energía que da a los electrones un nivel de energía asignado o "cáscara", pero lo que me molesta es sobre el espacio entre los átomos.

¿Qué hay entre los átomos? ¿Se puede clasificar como un vacío en el que no existe nada?

Me costaría creer que los átomos se empujan unos contra otros en todo momento debido a las cargas repulsivas del núcleo que actúan sobre cualquier otro.

Acepto que la brecha es increíblemente pequeña, pero a escala de átomos y electrones, ¿de qué tamaño estamos hablando? ¿Existe siquiera una brecha? ¿Sabemos lo que hay en medio o es desconocido? ¿Es un proceso similar al de las partículas virtuales entre el núcleo y los electrones?

Según mis limitados conocimientos, cuando las partículas "colisionan" no se produce ninguna interacción física, sino un intercambio de energía a través de fotones virtuales. ¿Es eso lo que existe en todas estas brechas? ¿Un intercambio constante de energía virtual que actúa como una repulsión consistente entre todos los átomos?

Answer 1

El espacio entre átomos depende mucho del medio del que se hable. En los sólidos, la distancia típica entre átomos es aproximadamente igual al tamaño de los propios átomos. En los gases cotidianos, a temperatura y presión ambiente, la distancia entre moléculas es varias veces superior a su tamaño, y en el espacio profundo se pueden alcanzar densidades de hasta un protón por centímetro cúbico.

Puedes hacerte una idea aproximada de la separación media $\ell$ entre átomos mediante

$$ \ell \approx \left(\frac{m}{\rho}\right)^{1/3} $$

donde $m$ es la masa de un átomo y $\rho$ es la densidad (másica) del material. Esto puede compararse con el tamaño de un átomo, que para todos los elementos es aproximadamente el mismo en $\approx 10^{-10} - 10^{-9}\ \mathrm{m}$ .

El espacio está lleno de campos, como el eléctrico y el magnético. Se puede pensar en ciertos tipos de "vibraciones" de estos campos como partículas virtuales, pero la visión común de la física moderna es que la imagen del campo es más fundamental. Hay campos para todas las partículas elementales, y los campos fluctúan constantemente debido a la mecánica cuántica. Las ondulaciones temporales de los campos son partículas virtuales que transmiten las perturbaciones a través del espacio. Las partículas reales son excitaciones (o vibraciones) cuantificadas en un campo que se propagan a grandes distancias.

Matt Strassler se ha esforzado mucho por explicar este punto de vista en sus populares artículos.

Frederic Brünner plantea un punto importante sobre las partículas virtuales. Los físicos utilizan una aproximación llamada teoría de perturbaciones para hacer la mayoría de sus cálculos (porque los cálculos son realmente difíciles de hacer sin hacer aproximaciones). Las partículas virtuales son una forma cómoda de organizar estos cálculos, pero no hay que pensar en ellas como objetos físicos, como las partículas reales. En cierto sentido, las partículas virtuales son engañosas. Lo que realmente representan son fluctuaciones rápidas de los campos (lo que antes he llamado ondulaciones). A grandes distancias estas fluctuaciones no importan, excepto cuando se promedian en un campo clásico suave. Para las interacciones entre átomos, e incluso la mayoría de las interacciones entre electrones y núcleos, el campo clásico es todo lo que se necesita.

Answer 2

Llevo tiempo dándole vueltas a esta pregunta. La teoría en la que más creo es la teoría de cuerdas. La teoría afirma que el espacio entre las partículas subatómicas son cuerdas casi sin masa de la teoría de cuerdas de tipo 2a. Estas cuerdas tienen tan poca masa (aproximadamente 0,83 x 10 a los -5 GeV) que son indetectables. Por supuesto, esta teoría se basa únicamente en la teoría de cuerdas. Gracias por su tiempo.