¿Cómo se "median" las fuerzas?

Respuesta breve: Lea solo la parte en negrita (e ignore la gramática entonces).

La respuesta que ya mencionaste se encuentra en la teoría cuántica de campos (QFT). Pero para entenderlo completamente, debes considerar una partícula como algo puntual que está bien localizado . Hay un campo cuántico por tipo de partícula , por ejemplo, el campo de electrones para todos los electrones y el campo de fotones para todos los fotones. (El hecho de que haya un solo campo para todos los electrones también da como resultado el principio de exclusión de Pauli ).

Lo que consideras una partícula es básicamente solo un pico local en el campo de partículas respectivo , pero ni siquiera se puede decir "Este pico corresponde al electrón A, este a B". Ahora QFT, más específicamente Quantum Electrodynamcis ( QED ), describe la interacción local entre el campo de electrones y el campo de fotones . Pero dado que los campos tienen una dinámica, un cambio local inducido en el campo de fotones por el campo de electrones se propagará con la velocidad de la luz (se asume un espacio plano) e interactuará con el campo de electrones en otro lugar, creando así la impresión"El electrón A emitió un fotón que le dijo al electrón B que interactuara electromagnéticamente".

Es similar para las otras interacciones, hay un campo de gluones para la interacción fuerte ( cromodinámica cuántica ), y para la interacción electrodébil hay una especie de combinación del campo de fotones y los bosones de interacción débil.

Por ejemplo, ¿cómo saben dos partículas cargadas que se van a separar? ¿Se comunican entre sí de alguna manera a través de algún medio?

Sí, específicamente el campo electromagnético. Para dar una visión simplista, una partícula cargada produce un campo eléctrico para indicar su presencia y un campo magnético para indicar su movimiento. Cualquier perturbación en estos campos se propaga hacia el exterior a la velocidad de la luz. Otra partícula cargada a cierta distancia puede reaccionar a los campos; si "siente" la presencia de un campo eléctrico, se moverá en respuesta.

He escuchado a algunas personas decirme que hacen rebotar fotones mensajeros. Entonces, ¿un electrón recibe un fotón mensajero, dice: "Oye, debería moverme en la dirección opuesta a la que vino, debido a los datos que contiene", y luego moverme?

La idea del fotón mensajero es realmente solo una analogía. Personalmente, no creo que sea muy bueno, pero realmente no tenemos nada mejor. La cuestión es que, aunque las perturbaciones en el campo EM se propagan como ondas, cuando una partícula reacciona a tal perturbación, actúa como si otra partícula chocara con ella. Para que esto encaje con nuestra intuición, nos vemos obligados a inventar la idea de que hay partículas, o cuantos , asociados con el campo electromagnético, y los llamamos fotones.

¿No están los fotones también asociados con la energía? ¿Este tipo de mediación implica que los electrones ceden energía para ejercer fuerza sobre otros electrones?

Sí. Para que esto tenga sentido, realmente debe considerar todo el sistema de ambos electrones, así como el propio campo EM. Cada electrón "siente" el campo electromagnético producido por el otro, por lo que los movimientos de ambos electrones cambiarán de tal manera que se conserve la energía total.

Cada electrón es repelido por todos los demás electrones del universo, ¿verdad? ¿Cómo sabe dónde enviar a sus mediadores de fuerza? ¿Simplemente sabe en qué dirección apuntar? ¿Simplemente lo envía en todas las direcciones en un continuo? ¿Significa eso que siempre está emitiendo fotones/energía?

Este es uno de esos casos en los que tiene más sentido pensar en las perturbaciones en el campo EM como ondas, que ciertamente pueden ser radiadas en todas las direcciones. Sin embargo, el electrón solo perturba el campo cuando cambia su movimiento (o estado cuántico, más bien) . Un electrón atrapado en un solo estado cuántico, como un orbital atómico, no irradiará energía.

La conclusión es que le aconsejaría que no tome la idea de "fotones mensajeros" demasiado literalmente. Es solo un modelo que funciona en algunas situaciones pero no en otras.

La respuesta corta en las teorías cuánticas de campos es "por el intercambio de partículas virtuales". Busque "partículas virtuales" en Wikipedia para tener una idea. Las preguntas auxiliares que hizo sobre el balance de energía y la derivación de la ley de Coulomb son muy correctas. Todos ellos deben ser respondidos allí. Por ejemplo, la energía se conserva excepto por fluctuaciones momentáneas debido al principio de incertidumbre.

No hay "partículas mensajeras" separadas, tal vez la persona que usó esa frase se equivocó.

Para el electromagnetismo las partículas virtuales relevantes son los fotones, para la fuerza fuerte los "gluones", para la fuerza débil los W' y Z, todos los cuales han sido encontrados. Todos estos son casos de "bosones de calibre". Una vez más, consulte Wikipedia para obtener una referencia básica. La ley del cuadrado inverso para EM está relacionada con la masa en reposo cero del fotón, el corto alcance y la disminución exponencial con la distancia de las fuerzas fuertes y débiles está relacionada con la masa en reposo distinta de cero de sus partículas virtuales intercambiadas.

La gravedad es un caso especial, ya que todavía no existe una teoría cuántica de la gravedad. Manténganse al tanto.

La noción de una partícula puntual pero cargada es algo contradictoria: por un lado, la imaginamos como localizada en el espacio (como una partícula neutra); por otro lado, tal "partícula" es "de mano larga", es decir, se siente lejos de su "posición". Uno puede pensar que la carga no es puntual sino que es una "parte" de un sistema complicado y extenso. Cuando rompes el sistema, sientes una fuerza de resistencia. En el caso de un resorte, esta fuerza aumenta con la distancia. En el caso de un chicle, disminuye ;-).

En QED hay un indicador de Coulomb donde el potencial de interacción es instantáneo 1/r pero actúa entre "ondas", no "puntos". Estas ondas se "superponen" y realmente no podemos separarlas.

Una comprensión física de cómo se median las fuerzas es simplemente un argumento cuántico. El operador de momento$p~=~-i\hbar\nabla$está escrito en una forma de covariante de calibre$p~\rightarrow~p~+~ieA$, por$A$el vector potencial. Esto acopla la partícula al campo electromagnético. El operador de impulso generalmente se expresa en la ecuación de Dirac. Ahora, si tienes dos partículas cargadas con impulso$p_1$y$p_2$están acoplados al campo QED, incluso si no hay fotones reales presentes. El vacío QED se acopla a los electrones, y esto acopla los electrones a momentos virtuales del campo QED, o un$\delta p~=~A$. Un fotón virtual (aquí pensado en un "nivel de árbol") puede transferir una$\delta p$de impulso de$p_1$a$p_2$. Esto significa que los dos electrones se dispersan con el impulso.$p_1~-~\delta p$y$p_2~+~\delta p$. Entonces, la presencia de fluctuaciones de incertidumbre es lo que transfiere el impulso de una partícula a la otra.