Comúnmente se afirma que hay cuatro fuerzas fundamentales, o interacciones, en la naturaleza. Es natural considerar cuál de ellos es responsable de la fuerza normal que encontramos en la física elemental. ¿Cuál es la naturaleza de la fuerza ejercida sobre un cuerpo por el suelo sobre el que descansa?
De las cuatro fuerzas, la única que parece relevante es la fuerza electromagnética, y siempre supuse que la fuerza repelente en cuestión es, en última instancia, la EM. El artículo de Wikipedia sobre las fuerzas de contacto parece estar de acuerdo:
La física molecular y cuántica muestran que la fuerza electromagnética es la interacción fundamental responsable de las fuerzas de contacto.
Una explicación alternativa es que la fuerza resulta del Principio de Exclusión de Pauli; sin embargo, por razonable que parezca, no parece responder a la pregunta de qué fuerza está realmente en juego aquí. El principio de exclusión no es una fuerza, o al menos normalmente no se describe como tal.
Recientemente me encontré con un argumento presentado con bastante fuerza que establece que la fuerza normal es una fuerza macroscópica que no es directamente reducible a la fuerza EM, oa cualquiera de las otras fuerzas; más bien, de hecho resulta del Principio de Exclusión de Pauli a través de la interacción de las funciones de onda de los electrones. El argumento afirma además que los intentos de corregir el artículo de Wikipedia se han encontrado con las objeciones habituales de "fuente necesaria", y que este tema es mal entendido o mal cubierto en los textos estándar.
(El argumento se puede encontrar aquí ).
¿Por dónde se va?
Supón que tomas dos átomos de helio y tratas de juntarlos. Habrá una repulsión a corta distancia y normalmente la describiríamos como la fuerza de exclusión de Pauli, por lo que parece como si el principio de exclusión generara una fuerza fundamental.
Sin embargo, suponga que uno de los átomos de He tiene ambos electrones excitados al orbital (no es físicamente probable, pero esto es solo un experimento mental). Esto afectará claramente la fuerza de exclusión porque la superposición de He y orbitales es diferente a la superposición de dos orbitales De hecho, si empujas los dos átomos de He en el mismo espacio, la integral superpuesta irá a cero y la fuerza de exclusión desaparecerá. Es cierto que aquí hay una gran cantidad de gestos con las manos, pero entiendes la idea básica.
Entonces, la fuerza existe porque el principio de exclusión requiere la excitación de los electrones fuera del estado fundamental cuando se juntan, y esto cuesta energía. Pero solo cuesta energía debido a la fuerza electromagnética responsable de unir los electrones en los átomos de He en primer lugar. Si debilitó la fuerza electromagnética, la fuerza de exclusión también se debilitaría y, de hecho, desaparecería en el límite de la fuerza EM yendo a cero.
Por eso la fuerza de exclusión no es una fuerza fundamental. Cuando empujas los átomos de He juntos, el trabajo que haces es excitaciones del campo EM, no excitaciones de algún "campo de Pauli". El principio de exclusión es un principio fundamental, pero el hecho de que se requiera trabajo se debe a la fuerza electromagnética.
Selene Routley
Juan Rennie
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alon amit
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Juan Rennie
Manishearth