¿Es posible que un objeto tenga masa pero volumen cero?

Tu pregunta dice que

Creemos saber que la materia es cualquier cosa que tiene masa y que ocupa espacio

pero de hecho, sabemos mejor que eso. Tenemos buenas razones para creer que las partículas fundamentales son puntuales. En otras palabras, no tienen estructura interna, tamaño o volumen. Y de hecho tienen masa. Tenemos una comprensión teórica (en la teoría local de campos cuánticos) y evidencia experimental (de experimentos con colisionadores) para objetos con masa pero sin volumen.

Sin embargo, esta no es la última palabra, porque es muy posible (y algunos dirían que muy probable) que las partículas que aparecen como puntos en nuestros experimentos tengan una subestructura, incluido un tamaño característico, que se revelaría en experimentos de muy alta energía. . Creo que ese es el caso en la teoría de cuerdas.

Entonces, en resumen, no tenemos evidencia de que las partículas no sean puntuales y una sólida comprensión teórica de las partículas puntuales, pero existe una motivación para considerar la estructura interna, que podría revelarse en experimentos de muy alta energía.

En el modelo estándar de física de partículas que se ajusta a los datos hasta ahora, las partículas elementales que ingresan al lagrangiano son partículas puntuales con masa.

El electrón, por ejemplo, es una de las partículas elementales, y tiene una masa y el ajuste le da un volumen 0.

Hay experimentos que intentan poner límites a lo pequeño que es el volumen del electrón. El hecho de que el modelo estándar se ajuste a un gran número de medidas en partículas elementales con dimensiones de punto cero para las partículas elementales se puede considerar como una medida.

Sin embargo, se debe tener en cuenta que el electrón es una entidad mecánica cuántica y sigue ecuaciones mecánicas cuánticas. Si uno trata de determinar el tamaño, la sonda que verifica el tamaño sigue el principio de incertidumbre de Heisenberg , lo que significa que para obtener límites muy pequeños, se necesitan sondas de momento muy alto.

Las teorías de cuerdas postulan que las partículas elementales son vibraciones en cuerdas unidimensionales, con una longitud menor que la longitud de Planck . Aún así, una línea no tiene volumen, aunque esto sea así.

Abordaré su pregunta de manera un poco diferente, porque hablar de volumen y partículas es problemático en muchos sentidos.

Formulemos su pregunta "¿puede haber dos partículas con masa en el mismo lugar?". La respuesta es sí. Hay dos tipos de partículas: fermiones y bosones. Mientras que los fermiones (electrones, protones) se repelen entre sí (¡no solo por la carga!), los bosones se pueden empaquetar tan densos como quieras. Por ejemplo, los fotones son bosones, pero incluso los fermiones pueden acoplarse para formar bosones, como el átomo de helio. Verá, esto es un poco diferente de su pregunta, ya que el helio es claramente un volumen, pero los fotones no.

Basándonos en los últimos avances en física de partículas, la respuesta es un rotundo NO: no es posible que una partícula masiva no tenga volumen. De hecho, NO es posible que ninguna partícula, ya sea masiva o sin masa, tenga volumen cero. TODAS las partículas tienen un cierto volumen, no importa cuán pequeño sea más allá de la observación.

Por el contrario, la masa es una propiedad intrínseca de una partícula que surge del mecanismo de Higgs. Las partículas que no interactúan no tienen masa, las que lo hacen exhiben masa.

Sin embargo, a medida que la investigación continúa creciendo y nuestra base de conocimientos se actualiza, la respuesta puede cambiar o ser incierta, al igual que el principio de incertidumbre. =)

No es posible que ningún objeto tenga masa pero volumen cero, porque para que esto ocurra tendría que haber un campo gravitatorio infinito alrededor del objeto, y esto no sucede en el mundo natural (llegaré a la noción de "partícula puntual" en la física cuántica en un momento). Cuando la masa se concentra en volúmenes muy pequeños lo que sucede es que se forma un agujero negro. El corazón de un agujero negro es una región donde nuestra comprensión es limitada, pero en cualquier caso un agujero negro tiene un área de superficie distinta de cero, el área de su horizonte.

La física cuántica se construye a partir de un conjunto de ideas físicas y matemáticas llamado teoría cuántica de campos. La teoría cuántica de campos puede surgir en sí misma de un conjunto de ideas aún más básico llamado teoría M o teoría de cuerdas. Tanto en la teoría cuántica de campos como en la teoría de cuerdas, las cosas que componen el mundo natural son bastante sutiles y no hay un sentido simple y directo de que uno pueda decir que el universo tiene partículas puntuales. Más bien, el término "partícula" se usa en un sentido bastante técnico, como una forma de referirse a una parte de la descripción completa. En la descripción completa nunca surge una concentración de una cantidad finita de masa con una densidad infinita. Esto se debe en parte a que se formaría un agujero negro, pero más comúnmente se debe a que tan pronto como se establece una situación en la que la masa se concentra en un pequeño volumen, uno también tiene grandes cantidades de impulso (porque los volúmenes pequeños requieren longitudes de onda pequeñas) y, por lo tanto, grandes cantidades de energía cinética. Esta energía cinética permitirá a su vez generar pares partícula-antipartícula. Así que esto es lo que sucede. Un ejemplo clásico de esto se ve en todos los experimentos de física de alta energía que involucran colisionadores de partículas. Ahí tienes un intento de enfocar la energía (y por lo tanto también la masa) en un pequeño volumen en un vértice de colisión, y lo que sucede no es una gran densidad sino una gran cantidad de creación de pares. Un ejemplo clásico de esto se ve en todos los experimentos de física de alta energía que involucran colisionadores de partículas. Ahí tienes un intento de enfocar la energía (y por lo tanto también la masa) en un pequeño volumen en un vértice de colisión, y lo que sucede no es una gran densidad sino una gran cantidad de creación de pares. Un ejemplo clásico de esto se ve en todos los experimentos de física de alta energía que involucran colisionadores de partículas. Ahí tienes un intento de enfocar la energía (y por lo tanto también la masa) en un pequeño volumen en un vértice de colisión, y lo que sucede no es una gran densidad sino una gran cantidad de creación de pares.

Cuando una partícula básica como un electrón se mueve en un espacio vacío, no hay concentración de masa en un volumen infinitamente pequeño porque la función de onda del electrón se dispersa. El mismo término "electrón" o "partícula", en física cuántica, se refiere a esta cosa con una función de onda extendida.

¿Es posible que un objeto tenga masa pero volumen cero?

No.

¿Puede existir una partícula/objeto en el universo que tenga masa pero no volumen?

No.

¿Es posible que la masa pueda existir sin volumen y densidad?

No.

Creemos saber que la materia es cualquier cosa que tiene masa y que ocupa espacio, pero ¿es posible que esta afirmación sea incorrecta?

Sí.

Comencemos con un fotón E=hc/λ . Tiene una energía distinta de cero y una longitud de onda distinta de cero. Entonces es una onda, no una partícula puntual. Ahora eche un vistazo a las ondas de viento en Wikipedia . Mira el gif con los puntos rojos y recórtalo para eliminar la superficie y emular una ola en el espacio:

_{Imagen GNUFDL por Kraaiennest, ver Wikipedia Commons}

Ahora piense en la producción de pares donde creamos materia a partir de la luz. Luego recuerda la difracción de electrones y la naturaleza ondulatoria de la materia. Y lo más importante de todo, recuerde que se trata de la teoría cuántica de campos, no de la teoría cuántica de partículas puntuales. El electrón no es una mota que tiene un campo. En cambio, el campo es lo que es . Y este campo no tiene borde ni superficie. Se debilita lejos del centro, pero nunca se detiene. El electrón simplemente no esuna partícula puntual, a pesar de lo que digan algunos. Tampoco lo es un protón, y tampoco lo es un átomo de hidrógeno. Pero un átomo de hidrógeno es solo un electrón y un protón, y son "solo sus campos". Entonces, el campo gravitatorio de los átomos de hidrógeno no es algo distinto del átomo de hidrógeno. Es parte de lo que es. Lo mismo se aplica a una estrella y a un agujero negro.

Entonces no hay masas de volumen cero.