¿Qué significa que dos objetos se "toquen"?

Wow, esta ya ha sido respondida en exceso, lo sé... ¡pero es una pregunta tan divertida ! Entonces, aquí hay una respuesta que aún no ha sido, um, "tocada"... :)

Usted, señor, sea cual sea su edad (cualquiera que tenga hijos sabrá a lo que me refiero), ha pedido una respuesta a una de las preguntas más profundas de la mecánica cuántica. En el dialecto de la física cuántica de High Nerdese, su pregunta se reduce a esto: ¿Por qué las partículas de espín medio entero exhiben la exclusión de Pauli , es decir, por qué se niegan a estar en el mismo estado, incluida la misma ubicación en el espacio, en ¿al mismo tiempo?

Tienes toda la razón en que la materia en su conjunto es principalmente espacio. Sin embargo, podría decirse que el ejemplo específico de los átomos unidos no es tanto un ejemplo de contacto como de enlace . Sería el equivalente a que un hijo de 10 años no solo pinche a su hermana de 12 años, sino que la pinche con superpegamento en la mano , que es una ofensa considerablemente más drástica que no creo que nadie cometa. muy divertido por.

Tocar, por el contrario, significa que tienes que empujar , es decir, ejercer alguna energía real, para hacer que los dos objetos entren en contacto. Y característicamente, después de ese empujón, los dos objetos permanecen separados (en la mayoría de los casos) e incluso retroceden un poco después de que se hace el contacto.

Entonces, creo que uno puede argumentar que la verdadera pregunta detrás de "¿qué es tocar?" es "¿por qué los objetos sólidos no quieren comprimirse cuando intentas juntarlos?" Si ese no fuera el caso, todo el concepto de tocar se desmorona. Todos nos convertiríamos, en el mejor de los casos, en entidades fantasmales que no pueden establecer contacto entre sí, un poco como Chihiro cuando trata de alejar a Haku durante su segundo encuentro en Spirited Away .

Ahora, con eso como la versión afinada de la consulta, ¿por qué los objetos como las personas no simplemente se atraviesan entre sí cuando se encuentran, especialmente si están (como se señaló) casi en su totalidad hechos de espacio vacío?

Ahora, la respuesta refleja, y no es mala, probablemente sea la carga eléctrica. Eso es porque todos sabemos que los átomos son núcleos positivos rodeados de electrones cargados negativamente y que las cargas negativas se repelen. Entonces, dicho de esa manera, tal vez no sea demasiado sorprendente que, cuando los "bordes" exteriores de estos átomos bastante borrosos se acerquen demasiado, sus respectivos conjuntos de electrones se acerquen lo suficiente como para repelerse entre sí. Entonces, según esta respuesta, "tocarse" sería simplemente una cuestión de que los átomos se acerquen tanto que sus nubes de electrones con carga negativa comiencen a chocar entre sí. Esta repulsión requiere fuerza para vencer, por lo que los dos objetos se "tocan" (se comprimen reversiblemente sin fusionarse) a través de los campos eléctricos que rodean los electrones de sus átomos.

Esto suena muy bien, e incluso lo es ... hasta cierto punto.

Aquí hay una forma de pensar en el problema: si la carga fuera el único problema involucrado, entonces ¿por qué algunos átomos tienen exactamente la reacción opuesta cuando sus nubes de electrones se acercan entre sí? Por ejemplo, si empuja los átomos de sodio cerca de los átomos de cloro, lo que obtiene es que los dos átomos saltan para abrazarse más estrechamente, con una liberación de energía resultante que, en escalas más grandes, a menudo se describe con palabras como "¡BOOM!" Claramente, algo más que la repulsión de carga está sucediendo aquí, ya que al menos a algunas combinaciones de electrones alrededor de los átomos les gusta acurrucarse mucho más cerca unos de otros en lugar de alejarse.

Entonces, ¿qué garantiza que dos moléculas se acerquen y en su lugar digan "Hola, buen día... pero, er, ¿podría retroceder un poco, se está poniendo sofocante?"

Esa resistencia general a acercarse demasiado resulta ser el resultado no tanto de la carga eléctrica (que todavía juega un papel), sino más bien del efecto de exclusión de Pauli que mencioné anteriormente. La exclusión de Pauli a menudo se pasa por alto en los textos iniciales sobre química, lo que puede ser la razón por la cual temas como lo que significa tocar también a menudo se dejan un poco colgando. Sin la exclusión de Pauli, tocar, la capacidad de dos objetos grandes para hacer contacto sin fusionarse o unirse, siempre seguirá siendo un poco misterioso.

Entonces, ¿qué es la exclusión de Pauli? Es solo esto: partículas muy pequeñas y muy simples que giran (rotan) de una manera muy peculiar siempre, siempre insisten en ser diferentes de alguna manera, como niños en familias grandes donde todos quieren su rol único o habilidad o distinción. Pero las partículas, a diferencia de las personas, son cosas muy simples, por lo que solo tienen un conjunto muy limitado de opciones para elegir. Cuando se quedan sin esas opciones simples, solo les queda una opción: necesitan su propio espacio, aparte de cualquier otra partícula. Entonces defenderán ese trozo de espacio muy ferozmente. Es esa defensa de su propio espacio lo que lleva a grandes conjuntos de electrones a insistir en ocupar más y más espacio general, a medida que cada pequeño electrón crea su propio terreno único y ferozmente defendido.

Las partículas que tienen este tipo peculiar de espín se denominan fermiones , y la materia ordinaria está formada por tres tipos principales de fermiones: protones, neutrones y electrones. Para los electrones, solo hay una característica de identificación que los distingue entre sí, y es cómo giran: en sentido contrario a las agujas del reloj (llamado "arriba") o en el sentido de las agujas del reloj (llamado "abajo"). Uno pensaría que tendrían otras opciones, pero eso también es un profundo misterio de la física: los objetos muy pequeños están tan limitados en la información que transportan que ni siquiera pueden tener más de dos direcciones para elegir cuando dando vueltas.

Sin embargo, esa opción es muy importante para comprender el problema de la unión que debe abordarse antes de que los átomos puedan entrar en contacto . Dos electrones con espines opuestos, o con espines que se pueden oponer al girar los átomos en la dirección correcta, no se repelen: se atraen. De hecho, atraen tanto que son una parte importante de ese "¡BOOM!" Mencioné anteriormente para el sodio y el cloro, los cuales tienen electrones solitarios sin compañeros de espín, esperando. Hay otros factores sobre cuán enérgico es el boom, pero el punto es que, hasta que los electrones hayan formado pares tan agradables y ordenados, no tienen tanta necesidad de ocupar espacio.

Sin embargo, una vez que se ha producido el enlace, una vez que los átomos están en arreglos que no dejan a los electrones infelices sentados queriendo participar en enlaces estrechos, entonces el aspecto territorial de los electrones pasa a primer plano: comienzan a defender su territorio ferozmente.

Esta defensa del territorio se muestra primero en las formas en que los electrones orbitan alrededor de los átomos, ya que incluso allí los electrones insisten en forjar sus propias órbitas únicas y físicamente separadas , después de que se resuelve el primer emparejamiento de dos electrones. Como puede imaginar, tratar de orbitar alrededor de un átomo y, al mismo tiempo, esforzarse mucho por mantenerse alejado de otros pares de electrones puede conducir a algunas geometrías bastante complicadas. Y eso también es algo muy bueno, porque esas geometrías complicadas conducen a algo llamado química, donde diferentes números de electrones pueden exhibir propiedades muy diferentes debido a que los nuevos electrones se expulsan en todo tipo de órbitas exteriores curiosas y, a menudo, muy expuestas.

En los metales, se vuelve tan malo que los electrones más externos esencialmente se convierten en niños de la comunidad que se deslizan alrededor de todo el cristal de metal en lugar de adherirse a átomos individuales. Por eso los metales transportan tan bien el calor y la electricidad. De hecho, cuando miras un espejo metálico brillante, estás mirando directamente a los electrones de toda la comunidad que se mueven más rápido. También es por eso que, en el espacio exterior, debe tener mucho cuidado al tocar dos piezas de metal limpio entre sí, porque con todos esos electrones moviéndose, las dos piezas pueden decidir unirse en una sola pieza de metal nueva. de solo tocar. Este efecto se denomina soldadura al vacío y es un ejemplo de por qué debe tener cuidado al asumir que los sólidos que hacen contacto siempre permanecerán separados.

Pero muchos materiales, como tú y tu piel, no tienen muchos de estos electrones comunitarios, y en cambio están llenos de pares de electrones que están muy contentos con las situaciones que ya tienen, gracias. Y cuando este tipo de materiales y este tipo de electrones se aproximan, se produce el efecto de exclusión de Pauli y los electrones se vuelven muy defensivos de su territorio.

El resultado a gran escala es lo que llamamos tocar: la capacidad de hacer contacto sin empujar o fusionarse fácilmente, una suma a gran escala de todos esos electrones individuales altamente contenidos que defienden sus pequeños trozos de césped.

Entonces, para terminar, ¿por qué los electrones y otros fermiones quieren tan desesperadamente tener sus propios fragmentos de estado y espacio únicos para ellos solos? ¿Y por qué, en todos los experimentos que se han hecho, esta resistencia a la fusión siempre está asociada con ese tipo peculiar de giro que mencioné, una forma de giro que es tan mínima y tan extraña que no puede describirse del todo dentro del espacio tridimensional ordinario? ?

Tenemos modelos matemáticos fantásticamente efectivos de este efecto. Tiene que ver con funciones de onda antisimétricas. Estos asombrosos modelos son fundamentales para cosas como la industria de los semiconductores detrás de todos nuestros dispositivos electrónicos modernos, así como para la química en general y, por supuesto, para la investigación de la física fundamental.

Pero si haces la pregunta "por qué", eso se vuelve mucho más difícil. La respuesta más honesta es, creo, "porque eso es lo que vemos: las partículas de medio espín tienen funciones de onda antisimétricas, y eso significa que defienden sus espacios".

Pero unir los dos estrechamente, algo llamado el problema de las estadísticas de espín, nunca ha sido realmente respondido de una manera que Richard Feynman hubiera llamado satisfactoria. De hecho, declaró rotundamente más de una vez que esto (y varios otros elementos de la física cuántica) seguían siendo básicamente misterios para los que carecíamos de conocimientos profundos sobre por qué el universo que conocemos funciona de esa manera.

Y por eso, señor, su pregunta de "¿qué es tocar?" toca más profundamente los profundos misterios de la física de lo que te hayas dado cuenta. Es una buena pregunta.

2012-07-01 Anexo

Aquí hay una respuesta relacionada que hice para SE Chemistry . Toca muchos de los mismos temas, pero con más énfasis en por qué el "apareamiento de espín" de electrones permite que los átomos compartan y roben electrones entre sí, es decir, les permite formar enlaces. No es una explicación clásica de un libro de texto sobre la vinculación, y uso muchas palabras informales en inglés que no son matemáticamente precisas. Pero los conceptos de la física son precisos. Mi esperanza es que pueda proporcionar una mejor percepción intuitiva del notable misterio de cómo un átomo sin carga (por ejemplo, el cloro) puede superar la tremenda atracción electrostática de un átomo neutro (por ejemplo, el sodio) para robar uno o más de sus electrones.

El sentido común de tocar se puede expresar en "medios científicos" como un evento cuando la interacción de repulsión de intercambio entre 2 objetos (usted y el geek) extiende un valor arbitrario, digamos 1meV. Dejo la búsqueda de un umbral agradable que sea fácil de medir para una discusión posterior. :)

Como una heurística utilizable iría con algo en la línea de

las fuerzas intermoleculares entre las moléculas de la superficie de los cuerpos son comparables a la escala de fuerzas intermoleculares uno a uno entre moléculas cercanas{*} debidas a otros componentes del mismo cuerpo

Podría hacerlo un poco más estricto reemplazando "comparable a" con "no despreciable en comparación con" si lo desea.

Ciertamente, cualquier situación que genere una deformación no despreciable de cualquiera de los cuerpos a través de fuerzas intermoleculares debe contar.

{*} En un sólido --- y solo hablo de sólidos por el momento --- cada molécula se mantiene en una relación aproximadamente constante con sus vecinos por una variedad de fuerzas electromagnéticas. Por supuesto, en el equilibrio, la red es cero (al menos promediada en escalas de tiempo más largas que la escala de tiempo del movimiento térmico) y no proporciona mucha escala. Pero esa red es una combinación de empujones y tirones de múltiples vecinos. Tome el promedio de las magnitudes de esas fuerzas uno a uno como la escala adecuada para la comparación.

La situación en los fluidos no es simple ya que los bits no están fijos entre sí, pero probablemente podamos usar el mismo promedio local de magnitudes.

Bajo estas definiciones, el molesto niño de once años en cuestión te está tocando y merece ser golpeado en la cabeza , reprendido suavemente en esta sociedad altamente desarrollada y posviolenta.

Esta es una pregunta muy legítima para algo que generalmente damos por sentado.

Creo que sería posible definir el contacto macroscópico como la situación en la que la fuerza total entre dos cuerpos rígidos eléctricamente neutros es mayor que la fuerza gravitacional pura (para algún valor medible). La diferencia es, por supuesto, el componente normal de la fuerza superficial más la fricción.

La pregunta relacionada es "¿cómo medir o definir el componente normal de la fuerza superficial"? ¡El componente normal obviamente se define indirectamente, como lo opuesto a la suma de los componentes normales de todas las demás fuerzas!

Al menos mientras no dé una definición de "tocarse" a sí mismo (como la transferencia espacial de ADN), esta es más una pregunta filosófica que física.

Mencionas la paradoja de Zeno, pero uno podría abordar/interpretar esto de muchas maneras diferentes, involucrando preguntas sobre la 'intención', la 'consciencia', el 'yo', etc. Quiero decir que hay una gran cantidad de formas de vida en tu piel, que cuentas como "tú". Además, si usa guantes/condón, ¿no se toca? El concepto de tocar es al menos tan difícil como el concepto de puntos.

Para mi gusto, también "tomas la física demasiado literal". Hablar en términos físicos es hablar en términos incluidos en una teoría física (hecha por el hombre). Además, ni siquiera necesita una función de onda mecánica cuántica para observar que el contacto es algo abstracto. Cuando las fuerzas de largo alcance pueden realmente despreciarse, parece ser una pregunta que debe responderse mejor con 'nunca' o (y esta es la respuesta que creo que se adapta mejor) por medios operativos prácticos.