Las interacciones las transmiten bosones, ¿a que sí?


 

Estoy muy convencido de que si os apasiona esto de la física y en especial lo de las particulitas elementales y tal habréis oído, visto o leído que las interacciones entre las partículas se llevan a cabo intercambiando otras partículas. Pero claro luego rematan con que estas partículas son bosones, los bosones mensajeros.

Posiblemente nos limitemos a repetir lo que hemos leído o escuchado por ahí, pero… ¿por qué han de ser bosónicas las partículas que median las interacciones?

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Pues tal vez sea un buen momento para intentar explicar ese detallito de una forma entendible.

Ni que decir tiene que, aunque no estéis obligados, si os ha parecido genial la entrada podéis agradecerlo votando a @Los3_Chanchitos en los Premios Bitácoras como mejor podcast del año.  Me haría tanta ilusión…  Además quedan pocas horas de votaciones así que no os daré más la brasa con el tema hasta el año que viene.  Y recordad que hace dos años que no hago campaña para el blog.  Lo mismo me animo el año que viene.

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Lo que se sabemos

Haremos un repaso a las cosas que sabemos:

1.-  De la relatividad especial lo tenemos todo claro, especialmente la equivalencia entre la masa y la energía en general.  Ambas son manifestaciones de una única entidad. Podría poner la fórmula pero ya está muy trillada y generalmente mal entendida.  El caso es que energía y masa son una única cosa, tanto monta, monta tanto, aunque con sus peculiaridades particulares.

2.-  En cuántica tampoco vamos cojos.  Saben que existe una característica denominada espín y que esa característica, entre otras muchas cosas, clasifica a las partículas en bosones y fermiones.

El caso es que el espín, para lo que nos atañe ahora, es una característica que puede tomar valores enteros (0, 1, 2, 3, 4,…)  o semienteros (1/2, 3/2, 5/2,…).  Las partículas con espín entero son bosones y las partículas con espín semientero son fermiones.  Es el nombre para cada una de esas clases de partículas clasificadas en función del valor en módulo de su espín. Punto pelota.

3.-  También conocemos las partículas elementales:

Y sabemos que eso que llamamos “materia” está formado por fermiones.  Los bosones se encargan de transmitir las interacciones entre las distintas partículas.

Tal vez sea adecuado insistir un poco en eso de la “transmisión” de las interacciones.  Lo que queremos decir con ello es que eso que nosotros identificamos por fuerzas, por ejemplo la fuerza eléctrica, en realidad es una manifestación de algo más profundo y más sutil.  La cuántica nos dice que las partículas interactúan de distintas formas porque tienen distintos tipos de cargas, carga eléctrica, carga débil, carga de color para la interacción fuerte.  Y que por el hecho de tener esas cargas son capaces de crear partículas que informan a otras partículas de las cargas que tienen.  Es decir, una partícula con carga eléctrica negativa es capaz de crear, y aquí crear se ha de leer literalmente, partículas (fotones en este caso) que comunican al resto de partículas que haya en las inmediaciones el tipo, el valor de la carga y su signo de la primera partícula de la que estamos tratando.

¿Cómo han de ser las partículas que transmiten la interacción?  Pues la cuántica nos dice que han de ser bosones.  ¿Por qué?  Ajá, esa es una buena pregunta.

Los bosones son los que han de mediar las interacciones, eso es así

Me vais a permitir, si sois tan amables, de ser un poco laxo en esto. A pesar de la relajación de la explicación tengan por seguro vuestras mercedes que no les engaño.

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Para entender por qué las interacciones se realizan por el intercambio de bosones, partículas de espín entero, hemos de pararnos a reflexionar sobre qué es una partícula.

Una partícula la vamos a entender como un ente que tiene un conjunto de etiquetas con unos determinados valores.  Si somos muy reduccionistas podemos pensar que las partículas cuánticas no son más que esas etiquetas, eso ya como vosotros veáis.

Veamos como es un  electrón por ejemplo:

electron

Un electrón viene definido por ser aquello que tiene la masa del electrón, por tener la carga eléctrica del electrón y por tener un espín 1/2. Resulta también que todas las etiquetas que le podemos poner a las partículas, porque hay más, están asociadas a características físicas conservadas.

Por otra parte, hay dos características importantes aquí, la masa y el espín.  Estas dos características han de ser respetadas por las interacciones, es decir, no pueden cambiar su valor.  En el caso de la masa la cosa es simple, la masa ha de ser la masa y listo.  En el caso del espín la cosa es más sutil.

El espín de una partícula tiene un valor, entero o semientero, pero además lleva una flecha asociada.  Algo así:

espin

Esa flecha está irremediablemente unida al electrón, o mejor dicho, es parte de lo que es un electrón.  Para cualquier otra partícula con cualquier otro valor del espín pasa lo mismo.   El valor del espín, en este caso el 1/2, está relacionado con lo que mide esa flecha. Y esa flecha puede ser girada.

El último punto del anterior párrafo es la clave. Es importante porque según la cuántica no es lo mismo un electrón con la flecha apuntando en una dirección que otro electrón (que tendrá su misma masa y su mismo valor de espín) cuya flecha apunte en otra dirección.  Decimos que sus estados son diferentes, siguen siendo dos electrones idénticos pero en estados distintos.

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En las interacciones, el estado inicial y final de una partícula en lo relativo a su espín ha de ser el mismo.  Eso es lo que nos obliga a aceptar que solo los bosones sean los mensajeros de las interacciones.

Traducido a nuestro idioma, la flecha del espín de una partícula ha de apuntar al mismo sitio durante las interacciones.

¿Cómo se realiza una interacción?  Pues según la cuántica una partícula por el hecho de tener cargas, que son las que permiten sentir y generar las interacciones, perturba sus inmediaciones y esas perturbaciones se expresan como creación de partículas que son las encargadas de transmitir su presencia y qué tipo y valor de carga tiene.  Cada tipo de carga estará asociada a la existencia de una o más partículas mensajeras que informan de las mismas a todas las demás.

Aquí te puede surgir una duda, si se están creando partículas y las partículas tienen energía ¿de dónde sale esa energía?  Buena pregunta y la respuesta es que esa energía se roba del vacío a costa de que esas partículas no se puedan detectar.  Es lo que se conoce como partículas virtuales.  Su único objetivo vital es el de transmitir interacciones.  Son virtuales porque su existencia es tanto más breve cuanta mayor energía se haya necesitado para generarla desde el vacío. Esta descripción es la que uno obtiene de la lectura literal del formalismo matemático de la teoría cuántica de campos que es la que explica estas cosillas. Bueno, en realidad de uno de ellos, hay otros formalismos en los que esta visión no calza bien, de ahí que exista una discusión sobre el verdadero significado de las partículas virtuales.  Ahí os he dejado algo que escribí al respecto.  Ese día no creía en las partículas virtuales, hoy sí, hoy las defendería a muerte. Tras escribir esta entrada discutiré conmigo mismo por la entrada anterior.

Pero estas partículas no solo se generan con energía, que extraen desde el vacío, sino que también con espín.  Y claro, aquí viene el problema.  El espín generado toquetea el estado de la partícula inicial con su carga, su masa y su propio espín.  ¿Y cómo se produce eso?

Pues bien, y aquí voy a ser laxo al extremo, el valor del espín generado le dice al espín de la partícula inicial cuántas vueltas tiene que dar.  Así que veamos estas situaciones:

giro1

En la parte de arriba se va a crear una partícula mensajera fermiónica de valor de espín de 1/2.  En la parte de abajo se creará un bosón, una partícula de espín 1, por ejemplo.

Para que la conservación del espín no sea un problema en cuántica en realidad lo que uno tiene que tener cuidado no es tanto con el valor del espín, que también, sino con hacia dónde apunta la flecha de espín asociada a las partículas.  Si se crea una partícula de espín 1/2 en este proceso “obligará” al espín de la partícula que nos interesa a dar media vuelta…  Si se crea una partícula de espín 1 tendrá que dar una vuelta.

Lo que nos quedaría sería algo así:

giro2

El problema gordo es que si se crea un fermión, espín semientero, el estado de la partícula inicial cambia, al menos hacia donde apunta su espín.  Sin embargo, los bosones, espines enteros, dejan la flecha tal y como estaba al principio.  Podéis pensarlo con otros valores de los espines si gustáis.

De igual forma, otra partícula que recibiera esas partículas mensajeras debería de cambiar su flecha de espín si recibe un fermión pero no si recibe un bosón.  Y como hemos dicho, el estado relativo al espín de las partículas (hacia donde apunta la flecha) se ha de preservar en las interacciones.

Pues nada, solo era eso, espero que se haya aclarado un poco el tema y ahora sepamos por qué son bosones las partículas que transmiten las interacciones.  Eso sí, todo lo que he contado aquí tiene como origen la formulación matemática de las interacciones fundamentales pero traducido a palabras llanas pierde un poco. Aquí he hecho muchas simplificaciones, espero no haber dicho nada absolutamente incorrecto, que creo que no pero nunca se puede estar seguro del todo.

Nos seguimos leyendo…

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13 Respuestas a “Las interacciones las transmiten bosones, ¿a que sí?

  1. A ver… los que decís que las partículas virtuales no existen estáis diciendo lo mismo que la teoría cuántica de campos. Claro que no existen, por eso se llaman virtuales. Ahora bien, os transmito una pregunta para que reflexionéis: los campos (clásicos) eléctrico, magnético y gravitatorio existen?? La respuesta es NO, o más bien es el mismo no que para las partículas virtuales.

    Parece que los campos eléctricos, magnéticos y gravitatorios sean totalmente tangibles porque desde la ESO (a los ~14 años) que tratamos con ellos y los hemos interiorizado muy bien, ¿¿quien no a dibujado lineas de campo?? Si puedo dibujarlo existe!! Pero recordad la definición! “El campo eléctrico/gravitatorio es la fuerza e/g que sentiría una carga/masa unidad”. Sentiría en ¡¡en condicional!!, si no hay partícula para sentir la fuerza no hay nada!! Pero es muy cómodo, intuitivo, eficaz, útil y necesario poder describir los campos.

    Pues amigos mios, las partículas virtuales son esos mismos campos cómodos, intuitivos, eficaces, útiles y necesarios desde una descripción cuántica. Por eso la teoría que los describe lleva ese nombre, Teoría Cuántica de Campos (que sale de una manera totalmente natural al mezclar la Mecánica Cuántica con la Relatividad Especial).

    Podemos medir fotones, ergo esos que medimos existen, así como podemos medir fuerzas. Del mismo modo, NO podemos medir fotones virtuales, ergo ¿NO? existen, así como tampoco podemos medir campos clásicos. Cuando puedes medir un boson portador de fuerza (un fotón por ejemplo) es totalmente análogo a cuando pones una partícula cargada en el si de un campo eléctrico. Pasas de una cosa que, estrictamente hablando, no existe (campo/p.virtual) a una cosa medible (fuerza/p.real).

    Sobre las vueltas a la Nada, crear cosas de la Nada y esas aparentes paradojas, solo decir que la energía que se coge prestada del vacío, luego se devuelve al destruirse la partícula virtual. Con un balance neto igual a cero y con un tiempo de vida de esa partícula virtual menor que la constante de plank dividida por la energía que tenga la p.virtual, es decir que esta por debajo de la incertidumbre de Heisenberg.

    Si os desconcierta esto, leer sobre el mar de Fermi en la segunda cuantización y la renormalización :’). Para eso si que hay que tener estomago XD, aunque es una total genialidad, resulta llamativo como se comen los infinitos al sumar constantes… total si no son más que constantes!! Al final se deben compensar… X’D

    • Anonimo pero resisti la tentacion

      Eso es un disparate mas grande que tu cabeza y su cacao, tu por muchas cosas; entre algunas de ellas, los campos reales los mides, los sientes si quieres y no necesitas definicion ninguna para ellos. Los virtuales no y te lo dejo ahí; porque ya con eso haces las diferencias físicas.
      Son dos cosas diferentes:
      En física lo que no mides no existe.
      En metafísica matemática esotérica, lo que no mides, pero de eso emergen cosas medibles; también existe.

      • Anonimo pero resisti la tentacion

        La fisica didactica te esta haciendo mucho daño; pobrecito Faraday que no tenía tus libritos y tenía que ingeniárselas con cosas reales nada mas.
        Mezclar campo reales que hay infinidad de experimentos para sentirlos y verlos como mas le guste a cad cual, sin repetir ninguno; con flechitas esquemáticas dibujadas en un papel para matematizar DESPUÉS (de la praxis sensorial, instrumental) como hizo Faraday (ahora tu vas del libro a la realidad y por eso te haces ese cacao mental. Lo importante para ti son las letras de la fórmulas, no la realidad que está ahí, con todos esos campos reales, no virtules); es como para que uno tuviera la elasticidad de levantar el pié y poder date una patada en la cabeza por burlarte del raciocinio de los demás, por tratarnos como tarados, cuando el tarado eres tu.

  2. Como el Espacio no es la Nada se puede entender como una sustancia o medio de propagación. Será interesante sus propiedades, qué permite hacer y qué no permite hacer. En esta tarea, que tendrá mucho que ver con la Gravedad, es en lo que la Cuántica trabaja actualmente.

    Se tiene un hecho observable: las partículas crean campos, ya sean eléctricos, gravitatorios o de otras fuerzas. Se entienda o no se entienda esa es la realidad.

    ¿Cómo se transmite ese campo? La cuántica crea el concepto más matemático que otra cosa de partícula virtual o de los bosones. Si funciona es que algo de verdad tienen.

    El problema es la imagen mental que queremos hacer de ellas. ¿Pero importa? ¿Ayudaría en algo si alguna de las interpretaciones fuera la correcta? ¿Encaminaría y facilitaría el trabajo? Como pienso que sí es por lo que escribo este comentario.

    ¿Cómo la partícula puede crear algo, que le da energía cinética a otras partículas y no perder ella energía? Evidentemente, la explicación de que la Energía sale del Espacio es necesaria. ¿Pero cómo? Se debe buscar una respuesta que no resulte mágica y a la vez de pistas de cuáles deben ser las propiedades del Espacio.

    1.- Es Espacio es elástico. Esto con la Relatividad parece evidente.

    2.- Todo son ondas en el Espacio. Es decir, como ondas de sonido en el aire. El sonido es aire comprimido propagándose. Las partículas y la luz son ondas en el Espacio, es Espacio comprimido propagándose.

    3.- Una característica de las ondas / partículas del Espacio es que mantienen su forma, es decir, no se diluyen. Tiene la capacidad de mantenerse ‘apretada’ durante un tiempo más o menos largo. De toda la lista esta es la que más se parece a un axioma, las otras más o menos tienen su lógica.

    4.- Como sucede con el aire y el sonido, se puede hablar de dos densidades, una para la partícula / onda y otra para el Espacio que la rodea. Aquí está la clave para la creación de los campos. Hay una vibración, un tira y afloja debido a la propiedad nº3. El espacio que le rodea le intenta quitar y la partícula se esfuerza por retener.

    Sobre la característica nº4 es sobre la que acoplar toda la matemática de las partículas virtuales. Pero con esta interpretación ya no hay tanta magia y se le da la oportunidad al Espacio de aportar la energía de una forma más fácil de entender.

    Si la energía viene del Espacio ¿qué consecuencias tiene? Diría que frena/reduce la expansión del Universo. La Energía que podría diluirse en el Espacio queda almacenada/comprimida en una partícula.

    5.- Hay varias fuerzas, hay varios tipos de vibraciones, de tira y afloja. Aquí es pensar a las partículas con capas como un planeta. El más interno, el núcleo, para la gravedad, el manto para el campo eléctrico que es más grande y más intenso. ¿Dos tipos de vibraciones para el campo eléctrico y por eso hay positivo y negativo? Yo también me pierdo un poco con mi analogía.

    Tal vez un neutrino sea una partícula sólo con el núcleo; no tiene campo eléctrico porque tenga algún tipo de equilibrio, no lo tiene campo eléctrico porque simplemente no puede tenerlo. Y para él, viajar por el manto del campo eléctrico de otras partículas es transparente, sólo puede chocarse con otros núcleos. Es más, hasta podría ir más deprisa por el manto del campo eléctrico que por el Espacio por eso podría tardar menos en atravesar materia (si no se choca con otro núcleo) que en viajar por el Espacio. La velocidad de la Luz tal vez sea un concepto relativo a la densidad del Espacio (que es lo que Einstein manejó). Si se tiene en cuenta la densidad del manto del campo eléctrico y la densidad del núcleo de la gravedad, la velocidad podría ser otra:
    Espacio-fotón/manto es velocidad luz.
    Espacio-partícula/nucleo es menor que velocidad luz.
    Manto/Núcleo ¿es velocidad luz? ¿es más que velocidad luz?

    6.- Límites en la diferencia de densidad entre el Espacio y la partícula. ¿Cómo de densa puede ser una onda de sonido? Si fuera muy densa el aire podría licuarse. Basándose en esta idea que obliga a poner límite a la diferencia de densidad se deduce la Inflación. No hay una respuesta a por qué se generó pero estas ideas permiten crear una propuesta: al ser la diferencia de densidad mayor que cierto valor crítico provocó que las partículas explotasen como supernovas liberando gran parte de su energía. ¿Cómo fue exactamente? Pudo pasar que no se liberó por completo la energía sino que se creó una zona de transición menos densa. De tener las partículas sólo núcleo pasaron a tener núcleo y manto, de haber sólo gravedad pasó a haber gravedad y campo eléctrico.

    Si hay varias fuerzas, no solo gravedad y campo eléctrico ¿pudo haber varios procesos Inflacionarios? Es más ¿podría haber otros en el futuro que generen nuevas fuerzas? Eso nos daría igual, moriríamos desintegrados.

  3. Está claro que la Teoría Cuántica son un montón de fórmulas que se adaptan muy bien a los experimentos. Pero eso de las partículas virtuales no deja de ser un ‘apaño momentáneo’ mientras no se extiende la teoría con nuevas fórmulas que expliquen la Gravedad y el Espacio como un algo, una sustancia, por donde se propaga todo.

    Pero comentario personal a parte, la pregunta:
    ¿Cómo se inicia el movimiento? Una partícula positiva crea un campo que repele a otras positivas y atrae a las negativas. Cuando a éstas les llega el bosón de la primera ¿qué es lo que sucede? ¿por qué una se acerca y la otra se aleja?

  4. Y los fotones? No salen de la nada, incluso los podemos crear fácilmente encendiendo una cerilla.

  5. Me queda una pregunta porque algunas interacciones son con bosones de spin 1 y la gravitatoria deberia ser de spin 2?

  6. Desde la ignorancia, soy físico pero no cuántico, no puede haber una interacción que emita de forma simultánea dos partícula de spin 1/2 ??

    Luego, las partículas virtuales devuelven su energía al vacío para obtener un balance neto 0, pero parece que por definición transmiten información ¿No es esto un problema?

    • Mira ten cuidado con los que escriben divulgación científica, porque ellos por distintas razones de lo políticamente correcto le crean patrones negativos a las personas. Son como los periódicos, ellos tienen una linea editorial y eso en ciencia es un sesgo muy peligroso, porque hace que un físico que podría comenzar a general resultados trascendentes demore años, hasta edades poco productivas en darse cuenta de que cosa es la teoría y que cosa es la realidad física en si.
      No existen partículas virtuales, eso es un truco didáctico teórico, porque en las ecuaciones no incluyen la energía, la integración y las trasformaciones que a fin de cuenta realizan los campos intensos de los aceleradores, de los núcleos pesados, de la cuerpos supermasivos desde fuera en la integración que se estudia.
      Las partículas virtuales son un forma de describir la intención en estados ligados, o interactuantes, pero extender eso a que hay un vacío virtual fuera de estados ligados, es una especulación sin ninguna evidencia experimental con rigor físico.
      En todos los casos que la teoría de las partículas virtuales cuadran con los resultados experimentales y hay un buen rigor físico, pues hay un tercer agente fuera de la ecuación entregando energía, como los campos de los aceleradores, los núcleos atómicos, los cuerpos supermasivos.
      Es de ahí que extraen energía las partículas cuando se desintegran. En física no hay que inventarse nada esotérico, y menos aqu, donde hay un tercer agente con energía infinita para regalar, aunque teóricamente no aparezcan en las ecuaciones. Nada cambia, la física sigue siendo la misma, las leyes de conservación son las mismas si logras ver quien le entrega esa energía, si además de las ecuaciones, entiendes los experimentos en toda su integridad.
      Tampoco existe la orientación del espin, más que para Estados ligados. Una partícula anda por ahí libremente con el espin en la dirección que sea.
      Otro ejemplo de falta de sentido físico, si solo vez formulitas físicas y no distingues lo que son estados ligados, por culpa de que las ecuaciones son cosas planas que hay que saber que dicen y sus límites.
      Un fotón que ande por ahí, no es boson de ninguna integración, porque no pertenece a ningún estado ligado a integración alguna, solo porta una energía que aumenta o disminuye (su longitud de onda) según la gravedad (“regiones más frías o más caliente le dicen los de Planck ahora, je, je,…) por donde viaja.
      En fin los mismos que escriben divulgación no hacen esto por malas cabezas, sino por víctimas de otros que los programaron mal, llenos de patrones fisicos negativos.

  7. Viendo la primera infografía donde aparecen los fermiones y los bosones, me vino a la memoria un trabajo de mi bisabuelo, el trabajo es conocido como Tabla periódica de los elementos.

    En esa investigación contó con un ayudante, un tal Dimitri Mendeleyév, no se si era japonés o de donde venía.

    basándose en los pesos atómicos, notó que quedaban huecos en la tabla, como si en esos lugares faltaran elementos ; Cosa que resultó cierta.
    Con el tiempo fueron apareciendo elementos que llenaron esos huecos.

    ¿Qué tiene que ver esto con la infografía?

    Noté que el boson de Higgs, quedó como descolocado. ¿Una partícula impar en un universo donde todo viene de a pares?
    Me suena raro, y me suena raro porque es raro.

    Puede que solo sea una falta de la infografía, Una partícula impar… raro raro.

    Otra cosita, Las partículas que aparecen toman la energía del vacío. Eso dicen sin ponerse colorados.

    Porque a veces los cuánticos parecen definir el vacío como la Nada.

    Pero de la Nada no puede salir Nada, ya que si sale algo deja de ser la Nada.
    Esto lo demostré varias veces y fue por el absurdo la demostración más sólida.

    Supongo que tal vez ellos se refieren como vacío al Espacio, que claramente no es la Nada ; Las partículas, ninguna puede viajar por la Nada, siempre necesitan viajar montadas en algo.
    En este caso el espacio, que sería el quinto estado de la materia.

    Y por supuesto, el Espacio si que está cargado de energía.

    ¿Qué con las matemáticas se pueden demostrar mejor las cosas?, en cierta forma así es.

    Pero si esas demostraciones no encuentran correlato con la realidad del mundo en que vivimos los humanos, dejan de ser creíbles.

    ¨rubenardosain.wordpress.com¨

  8. Interesantísima la forma como se explica la acción de los bosones…Queremos saber mas…!!!

  9. Por favor, graba en vídeo esa discusión intertemporal.

  10. Pingback: Las interacciones las transmiten bosones, &ique...

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