¿Cómo se ven afectadas por la gravedad las partículas subatómicas?
Lo he estado buscando en muchos sitios web diferentes y básicamente todos dicen lo mismo. La masa de las partículas subatómicas es tan pequeña que otras fuerzas (como la fuerza débil, la fuerza fuerte y la fuerza electromagnética) actúan sobre ellas de manera mucho más efectiva, de tal manera que los físicos de partículas pueden ignorar por completo la gravedad cuando intentan explicar un fenómeno físico que las involucra. .
Ok, mi pregunta es: aunque la atracción gravitacional puede ser extremadamente débil, todavía existe. ¿No debería dar cuenta de algo y, por tanto, considerarse en algunas situaciones especiales? Por ejemplo: digamos que podríamos aislar una partícula subatómica (vacío) dentro de un contenedor alto de tal manera que todas las demás interacciones (débil, fuerte y electromagnética) pudieran mitigarse a un valor menor que el (diminuto) tirón gravitacional que actúa sobre esta partícula subatómica. Pregunta: En esta situación, ¿observaríamos una tendencia de esta partícula a ser arrastrada al fondo del contenedor (arrastre gravitacional hacia el centro de la tierra), después de un tiempo suficiente?
Respuestas
Los neutrones ultrafríos tienen velocidades de unos pocos a decenas de metros por segundo y se pueden transportar desde la fuente para experimentar en trayectorias balísticas (gobernadas por la gravedad). (Ver el experimento PF2 en Institut Laue-Langevin)
En términos de experimentos de alta energía, digamos un haz de positrones que se dispersa a partir de electrones atómicos, el efecto gravitacional no solo sería inconmensurable, sino que también sería teóricamente imposible de interpretar.
Los experimentadores miden la probabilidad de que un haz de positrones se disperse en algún ángulo con algo de energía. Los teóricos no pueden calcular exactamente lo que sucede; en su lugar, hacen aproximaciones sucesivas utilizando diagramas de Feynman.
Los diagramas más simples son fáciles de calcular (incluso el experimentalista puede hacerlo), y domina el proceso:
En diagramas de orden superior, cada par de vértices incluye un factor de
$$ \alpha = \frac{e^2}{\hbar c} \approx \frac 1 {137}$$
Los diagramas de segundo orden se ven así:
Esa figura solo muestra dos diagramas. El siguiente nivel incluye todos los diagramas conectados que puede dibujar.
Entra en la gravedad. La gravedad es$10^{36}$veces más débil que la fuerza electromagnética, de modo que el término de gravedad de orden principal tiene la misma fuerza que el término QED de orden 17 (más o menos). Tenga en cuenta que debe calcular todos los diagramas de ese y hasta ese orden, del cual debe haber$10^{\rm a lot}$.
El cálculo más preciso jamás realizado, el factor g del electrón, involucró hasta al menos diagramas de cuarto orden, de los cuales hay miles, y los cálculos tomaron muchos años para los investigadores.
Entonces, si bien uno podría calcular la contribución gravitacional a su experimento, siempre será mucho menor que los términos electromagnéticos que podría calcular en teoría, pero simplemente no tiene los recursos para hacerlo. En la práctica, al igual que con el momento magnético del muón, también hay contribuciones hadrónicas con incertidumbres que son muchos órdenes de magnitud mayores que el término de gravedad, por lo que ni siquiera se pueden calcular lo suficientemente bien en teoría.
El electrón, una partícula elemental, es una partícula subatómica. Los haces del acelerador LEP eran haces de electrones y positrones necesarios para ser controlados con gran precisión para poder colisionar y las colisiones estudiadas. En este informe de la conferencia, se describen las correcciones necesarias a los haces debido a los efectos de la marea terrestre que indujeron un cambio en la gravedad. Tenga en cuenta que los haces de electrones / positrones se mueven en un muy buen vacío, similar a su requisito.
Las fluctuaciones en los datos de Energy Calibration [2] se correlacionaron con las variaciones de gravedad en el área de Ginebra relacionadas con las fuerzas de las mareas.
Por tanto, la respuesta es que existe evidencia experimental de que las partículas subatómicas se ven afectadas por cambios en el campo gravitacional.
Se ha medido el campo gravitacional para inducir una diferencia de fase medible en la interferometría de neutrones. Véase, por ejemplo, el experimento COW , publicado originalmente por Colella, Overhauser y Werner en Phys.Rev.Lett. 34 (1975).
Si pudiéramos crear un recipiente grande, de vacío perfecto, aislado de alguna manera de todas las fuerzas electromagnéticas y nucleares externas, y luego liberar una partícula en la parte superior, entonces, desde una perspectiva clásica, el movimiento de la partícula es extremadamente simple.
Caería hacia abajo con una aceleración de 9,81 $ms^2$, al igual que cualquier otra misa. No sería más lento, según la definición del experimento y nuestra comprensión de la mecánica clásica. Simplemente aceleraría hacia abajo.
Naturalmente, realmente no podemos hacer este experimento en la vida real, al menos no en esta forma, ya que es muy difícil preparar vacíos perfectos completamente aislados de todas las fuerzas externas (y la medición de átomos / partículas individuales no se explica bien por los métodos clásicos mecánica). Sin embargo, algunos experimentos se han acercado lo suficiente como para confirmar que los átomos caen como se esperaba [1], y sería extraño pensar que la gravedad se apaga misteriosamente cuando se rompe un átomo en partículas subatómicas.
Pero ni siquiera necesita hacer este experimento para saber que los átomos se ven afectados por la gravedad. ¡Se nota por el hecho de que está respirando! La atmósfera terrestre está formada por una gran cantidad de átomos. Si no respondían a la gravedad, simplemente volarían en línea recta, rebotarían en la tierra y, finalmente, escaparían de la esfera de influencia de la tierra, para no volver a ser vistos nunca más. Imagine que arroja una gran cantidad de pelotas saltarinas perfectamente elásticas a un pozo profundo. Si no fueran afectados por la gravedad, simplemente rebotarían y seguirían subiendo. Si se ven afectados por la gravedad, rebotarán hacia arriba, pero finalmente volverán a caer, alcanzando una altura determinada por la energía cinética inicial que se les dio y la fuerza del campo gravitacional. Esta es una simplificación excesiva masiva, pero es muy similar a la atmósfera terrestre. El hecho de que las moléculas en nuestra atmósfera alcancen alturas de cientos de kilómetros antes de retroceder se debe al hecho de que la fuerza de gravedad sobre un átomo individual es muy pequeña en comparación con las fuerzas de colisión con las otras moléculas. Sin embargo, suben y bajan, como cualquier otra cosa
- https://news.stanford.edu/pr/99/atomgravity990825.html (Alguien, por favor, avíseme si puede encontrar una referencia al trabajo original).
Pregunta: En esta situación, ¿observaríamos una tendencia de esta partícula a ser arrastrada al fondo del contenedor (arrastre gravitacional hacia el centro de la tierra), después de un tiempo suficiente?
Absolutamente. Caería tan rápido como cualquier otro objeto. Hay tres factores que distinguen esto de los cálculos cuánticos:
Hay un campo externo. Si bien la fuerza electromagnética tiene polaridad, lo que permite que las cargas positivas y negativas se cancelen, todas las partículas tienen masa gravitacional no negativa. Por lo tanto, mientras que al considerar las fuerzas entre solo dos partículas cargadas, la fuerza electromagnética domina las fuerzas gravitacionales, la fuerza gravitacional de la tierra domina la fuerza electromagnética de la tierra. La fuerza gravitacional externa es relevante para su pregunta sobre si la partícula se desplazará hacia abajo, pero la fuerza gravitacional entre un electrón y el núcleo de un átomo no es un factor significativo en su orbital.
Estás mirando desde la perspectiva de un marco de referencia externo. De acuerdo con el Principio de Equivalencia, los campos gravitacionales son localmente equivalentes a un marco de referencia (generalmente no inercial) sin ninguna fuerza gravitacional. Dado que generalmente consideramos las interacciones de las partículas en el marco de referencia de su centro de masa, la gravedad puede ignorarse. Por ejemplo, cuando un electrón orbita alrededor del núcleo, la gravedad empujará al electrón hacia abajo, pero también empujará el núcleo hacia abajo. Dado que todo se mueve al mismo tiempo, no afecta lo que le está sucediendo al electrón en relación con el núcleo. Si los científicos miden las líneas espectrales de un átomo, la cuestión de si están en una nave espacial en el espacio exterior o si se precipitan hacia un planeta en caída libre sería relevante para los propios científicos, pero no lo sería para el experimento.
La mecánica cuántica generalmente tiene lugar en períodos de tiempo muy cortos. Por tanto, las partículas no tienen mucho tiempo para acelerarse debido a la gravedad.
Entonces, cuando los físicos dicen que la gravedad se puede ignorar para la mecánica cuántica, lo que quieren decir es que la fuerza gravitacional dentro de un sistema es demasiado pequeña para importar (a menos que se busque un nivel de precisión extremadamente alto), y las fuerzas gravitacionales externas generalmente no lo hacen. No tienen tiempo para actuar, e incluso si lo hacen, simplemente mueven el centro de masa del sistema, en lugar de tener un efecto significativo de lo que sucede dentro del sistema.
La respuesta es sí, la partícula sería arrastrada hacia la Tierra, el punto es que sería muy lento. Para casi todos los cálculos físicos a escala atómica, los efectos de la gravedad se tratan como si no estuvieran allí porque la gravedad es mucho más débil que las otras 3 fuerzas, para una comparación, consulte aquí .
Lo que estás describiendo es en parte imposible. No puede protegerse de las fuerzas débiles y fuertes, podría hacer algunas cosas extrañas si pudiera, como prevenir la desintegración radiactiva y hacer explotar protones a voluntad.
Pero, supongamos que tenemos una configuración en la que todos los efectos distintos de la gravedad están cerca de cero (muy, muy complicado). ¿Lo que pasa? Nadie lo sabe. La respuesta más "sensata" es que vería la partícula caer como cualquier otro objeto, o posiblemente temblar, pero en promedio seguiría una trayectoria normal de "caída debido a la gravedad".
Pero la respuesta simple es que nadie lo sabe, esta es una de las áreas donde el desajuste entre la relatividad y la mecánica cuántica se vuelve obvio. Sabemos que de alguna manera un grupo de partículas tiene que caer como lo hace una roca ... una roca es solo un grupo de partículas después de todo, pero lo que hace una partícula individual es menos claro.