¿Cómo es intuitivamente comprensible que algunas fuerzas fundamentales disminuyan más fuerte que con el cuadrado del radio?

Answer 1

Si los portadores de fuerza son masivos, entonces se espera que la ley de fuerza caiga más rápido con la distancia, básicamente porque existe una energía mínima que debe tener un portador de fuerza virtual y, por lo tanto, producir una es menos probable. En el caso de portadores de fuerza sin masa, puede producirlos con energía arbitrariamente baja. La baja energía y el impulso significan una mayor incertidumbre de posición – mayor rango.

Para la fuerza fuerte, la situación es un poco complicada, porque en realidad hay dos cosas que llamamos “fuerza fuerte”. Uno de ellos actúa entre nucleones y “mantiene unidos” los núcleos atómicos. Suele denominarse “fuerza nuclear fuerte” para distinguirla de la otra. De hecho, cae aproximadamente exponencialmente con la distancia, y tiene que ver con el hecho de que puede describirse como resultado del intercambio de piones. Por lo tanto, los piones juegan un papel de portadores de fuerza, y de hecho son masivos, por lo tanto, la fuerza nuclear fuerte cae exponencialmente con la distancia.

También existe una “fuerza fuerte” más fundamental, la descrita por QCD y que mantiene a los quarks unidos en nucleones y otros hadrones. Lo curioso es que esta fuerza fuerte en realidad aumenta con la distancia. Sus portadores de fuerza son gluones sin masa. Entonces, ¿por qué no cae con el cuadrado de la distancia? Esto tiene que ver con el hecho de que los portadores de fuerza interactúan directamente entre sí. Por lo tanto, un portador de fuerza virtual aumentará la probabilidad de que aparezcan otros, y a medida que aumenta la distancia, aumenta el número de portadores de fuerza, lo que aumenta la fuerza (OK, es una imagen muy simplificada de lo que está sucediendo, pero usted captar la idea).

Answer 2

Una forma de explicarlo es que los portadores de fuerza de las leyes del cuadrado inverso no tienen masa .

El portador de la fuerza de las fuerzas electromagnéticas es el fotón, que no tiene masa (en reposo). Para la gravedad, la partícula hipotética correspondiente es el gravitón, que (si existe) también tiene una masa (en reposo) de cero.

Según la teoría del campo cuántico, todas las fuerzas de la naturaleza están realmente mediadas por tales partículas. Las partículas responsables de las fuerzas son virtuales, lo que significa que su existencia no es permanente. En cambio, explotan la relación de incertidumbre de Heisenberg con la energía “prestada” por un corto tiempo, dictada por la ecuación:

[matemáticas] \ Delta E \ cdot \ Delta t \ approx \ hbar [/ matemáticas]

En otras palabras, cuanto menos energía prestada, más tiempo puede existir la partícula virtual.

Una partícula con masa en reposo cero puede tener una energía arbitrariamente baja, lo que significa que la vida útil de las partículas virtuales puede ser arbitrariamente larga. Por lo tanto, las fuerzas mediadas por partículas sin masa tienen un largo alcance, que en este contexto es lo mismo que una ley del cuadrado inverso.

Si la fuerza está mediada por partículas con una masa de reposo distinta de cero, la imagen cambia y la fuerza cae mucho más rápido que el cuadrado inverso.