Si cargas iguales se repelen, ¿por qué una carga no se separa?

Las partículas compuestas como los protones no se separan debido a la fuerte interacción que mantiene unidos a sus constituyentes (los quarks). Las partículas elementales como los electrones no se separan porque son partículas puntuales, es decir, no están formadas por "partes" (si el modelo estándar es correcto).

Esta fue una de esas grandes preguntas en el siglo XIX. Todavía causa cierta consternación. Si tiene un sistema compuesto, como el núcleo de un átomo, se necesita alguna otra fuerza. Esta fuerza, por supuesto, es la interacción nuclear. Esto evita que los protones se separen, aunque para algunos núcleos inestables hay transiciones que expulsan partículas cargadas, electrones o positrones, debido a interacciones débiles. En el caso del protón, está compuesto por tres quarks y estos están unidos entre sí por la interacción QCD (cromodinámica cuántica). Los bosones de calibre llamados gluones interactúan más fuertemente a baja energía y estos mantienen los quarks, con cargas$2/3,2/3,-1/3$en un estado ligado.

Las cosas son un poco más misteriosas con partículas puntuales, como el electrón y otros leptones y quarks. Por lo general, no consideramos estas partículas como compuestas, aunque esto no ha impedido que la gente proponga constituyentes llamados preones o rishons que las componen.

Hay un problema con la definición de la masa del electrón o cualquier partícula cargada eléctricamente como un punto. La masa del campo eléctrico es

Un enfoque más estándar para esto es la renormalización. Una captura de pantalla de esto es mirar esta integral con las variables$p~=~1/r$entonces en esta integral de arriba$\mathrm dr/r~\rightarrow~-\mathrm dp/p$. Aquí estamos pensando en el impulso y la longitud de onda o la posición como relacionados recíprocamente. Luego, esta integral se evalúa para un finito$r$como equivalente a ser evaluado para un momento finito cortado$\Lambda$

Tenemos otra manera de ver esto. Esto se reduce a la pregunta de qué entendemos por "compuesto". También nos obliga a pensar qué entendemos por localidad de los operadores de campo. El monopolo magnético de Dirac es un solenoide con una apertura a una bobina infinita. La condición para el monopolo de Dirac es que la fase de Aharonov-Bohm de un sistema cuántico sea cero cuando pasa por el "tubo" del solenoide.$\psi~\rightarrow~\exp\left(ie/\hbar\displaystyle\oint{\vec A}\cdot ~\mathrm d{\vec r}\right)\psi$. Esto podría compararse con "cortar la cola" de la carga del monopolo magnético. La desaparición de esto equivale a decir

Esto significa que si tenemos una carga eléctrica podemos usar la maquinaria de renormalización para ilustrar cómo el vacío a su alrededor está polarizado con partículas virtuales según$\alpha~=~\frac{e^2}{4\pi\epsilon\hbar c}$. La carga eléctrica es comparativamente débil en fuerza con una modesta polarización del vacío expandida en órdenes de$\alpha$por$N$líneas internas o bucles. Esta relación S-dual nos dice que si bien esto es modesto, el monopolo magnético es muy fuerte y el vacío es un "nido de abejas" de muchas partículas. Entonces, esto significa que el campo eléctrico dual es un campo monopolar magnético que, de alguna manera, parece compuesto.

Esto significa que, de alguna manera, tenemos que hacer preguntas sobre la localidad de los operadores de campo. Algo que parece local, puntual y "agradable" puede ser dual con algo que parece no tan local, más compuesto y no renormalizable. Como resultado, todavía hay preguntas abiertas al respecto, e incluso Feynman estuvo de acuerdo con Dirac en que la situación con QED no era perfectamente satisfactoria.

Cuando tienes un objeto cargado, por ejemplo una esfera de metal cargada, por supuesto que las cargas en la superficie de la esfera interfieren entre sí. Debido a estos efectos, la carga se distribuye por igual sobre la esfera.
Sin embargo, estos efectos no son lo suficientemente grandes como para romper la esfera o algo así.

Si su objeto tiene una carga lo suficientemente alta, puede haber descargas a otros objetos (como el aire) debido a la diferencia de potencial.

Mirando un electrón: Es una partícula subatómica y no se puede dividir por la "mitad". No es como un objeto que lleva la carga. La carga es una propiedad fundamental del propio electrón.

Los protones contienen dos$\frac{2}{3}$-quarks arriba cargados positivamente y uno$\frac{1}{3}$-quark down con carga negativa. Los quarks están pegados entre sí a través de gluones. Estos generan la fuerza necesaria para mantener unido el protón. Los quarks también son partículas elementales, según el Modelo Estándar

Usando un acelerador de partículas, puede hacer chocar protones y otras partículas entre sí . En este caso, es posible destruir los enlaces entre los quarks y se crean nuevas partículas.

Las cargas similares se repelen a través de la interacción electromagnética que está mediada por partículas de intercambio (bosones de calibre) llamadas fotones. Dado que el fotón no tiene masa, la fuerza electromagnética tiene un alcance infinito y todas las cargas similares intentarán separarse unas de otras. Sin embargo, aquellos que no lo son se mantienen unidos por una fuerza que no es de naturaleza electromagnética, fuerzas de atracción como la Fuerza Nuclear Fuerte o la Gravedad.

Es bien sabido que un protón consiste en quarks uud, y la razón por la cual los quarks que se repelen hacia arriba, cada uno con una carga elemental de +2/3, no se separan entre sí se debe a una fuerza aún mayor que los mantiene unidos, debido al flujo. tubos entre ellos despejando el campo de gluones causando estabilidad. Este es también el homónimo de la fuerza nuclear fuerte, sin ella, la materia no existiría.

También hay una unidad para una carga, en la escala de una partícula fundamental. Esta indivisibilidad es consistente con la razón por la cual el electrón no puede fragmentarse en cargas más pequeñas, ES la carga más pequeña. Según la comprensión moderna, el electrón es una partícula puntual con una carga puntual y sin extensión espacial. Los intentos de modelar el electrón como una partícula no puntual se consideran inconsistentes con la realidad.

Otro punto de vista es considerar al electrón como manchado mecánicamente cuánticamente debido a su acoplamiento permanente a osciladores de campo electromagnético. Tal construcción es bastante "suave" y es fácil de excitar: irradia y absorbe fotones suaves. En este sentido, esta construcción no es elemental y puntual. La semejanza puntual es entonces una imagen inclusiva, no la "elástica" .

Me gustaría agregar que si no consideramos las partículas elementales sino que pensamos en esas esferas cargadas hechas de metal, en realidad pueden romperse. Si continúa eliminando electrones de un bloque de material y protege la descarga de la atmósfera vecina, después de una etapa, la repulsión entre las cargas similares se vuelve más fuerte que la fuerza cohesiva de los enlaces químicos y el material explotará. Este fenómeno se conoce como explosión de Coulomb. Se observa principalmente en nanopartículas y se utiliza para generar iones energéticos.