Fermions i bosons: Els àtoms no estan buits i les forces clàssiques són observablesm
Comencem per recordar que els electrons són “fermions”,[i] és a dir, partícules amb espín fraccionari, ½, mentre que els “bosons” (els fotons, els gravitons) tenen espín enter, 1, 2. (Un altre dia tornarem al tema de l’espín). Com que dos electrons són fermions idèntics, totalment indistingibles, la funció d’ona que els descriu esdevé nul·la quan la calculem en un mateix punt: dos electrons no poden ocupar el mateix lloc de l’espai. Anàlogament, aprenem en química que un estat amb un conjunt determinat de nombres quàntics (n, l, ml, ms) només pot ser ocupat per un electró. És l’anomenat Principi d’Exclusió de Pauli[ii], del qual es deriva la taula periòdica dels elements. El que ens interessa ací és el fet que els fermions ocupen espai, com ara comentarem.
Els bosons, per altra banda, es comporten de manera ben diferent. Si tenim dos bosons idèntics en el mateix punt de l’espai i en el mateix estat quàntic no passa res: la funció d’ona que els descriu no s’altera. Als bosons (fotons, gravitons) els agrada amuntegar-se, l’un damunt l’altre, com més va millor i, com a conseqüència, donen lloc als camps de força de la física clàssica. Els bosons són excitacions que van acumulant-se en quantitats enormes, fins que tenen un aspecte clàssic, no quàntic. Això explica el fet que els camps elèctric, magnètic i gravitatori ens els trobem en el món clàssic macroscòpic.
Per exemple, en un feix de llum làser d’una freqüència determinada, f, i potència P (energia per segon), el nombre de fotons (que són bosons) que veiem per segon és immens (calculable fàcilment com P/(hf), on h és la constant de Planck); per això el raig de llum (format per bosons) és un observable en el món clàssic.
Tornem, però, als electrons dels àtoms. La matèria té les formes i les configuracions que observem perquè no podem acumular electró rere electró orbitant el nucli en el mateix estat quàntic: només hi caben un màxim de dos electrons, amb espins alineats en sentit oposat, ±½. Això fa que una taula de fusta, per exemple, no col·lapse. Açò contradiu la frase que llegim en moltes publicacions[iii] (Figura 2) i que afirma que “els àtoms –i així mateix el nostre cos, per exemple– són gairebé espai buit”. L’afirmació és falsa perquè els àtoms són principalment una funció d’ona i les funcions d’ona dels electrons ocupen espai. No es tracta d’una qüestió purament filosòfica, és un fet d’importància cabdal perquè explica la solidesa de la matèria.
[i] Notes extretes del pòdcast de Sean Carroll https://www.preposterousuniverse.com/podcast/2024/05/13/275-solo-quantum-fields-particles-forces-and-symmetries/
[ii] El Principi de Pauli es pot deduir en la Teoria Quàntica de Camps, de la qual vam parlar en l’exemplar 26 de Daualdeu, p. 19.
Us ha agradat aquest article? Compartiu-lo!