El número de partículas se refiere al conteo de partículas elementales (como electrones, fotones o quarks) en un sistema dado. En la física clásica, este número suele ser fijo, pero en las teorías cuánticas relativistas—especialmente en la teoría cuántica de campos—el número de partículas no se conserva. Las partículas pueden crearse y destruirse mediante interacciones, e incluso el vacío puede fluctuar con pares virtuales de partícula-antipartícula.
Historia
La no conservación del número de partículas surgió en la década de 1930 con el desarrollo de la electrodinámica cuántica, particularmente a través del trabajo de Paul Dirac y, más tarde, del programa de renormalización de los años 1940. Las implicaciones completas se aclararon con la llegada de la teoría cuántica de campos.
Cómo funciona
En la teoría cuántica de campos, las partículas son excitaciones de campos subyacentes. El operador número, que cuenta partículas, no conmuta con el hamiltoniano en teorías con interacciones, lo que significa que el número de partículas puede cambiar con el tiempo. Por ejemplo, un electrón y un positrón pueden aniquilarse para producir dos fotones, y un fotón de alta energía puede crear un par electrón-positrón. El concepto de número de partículas se vuelve especialmente sutil en el espacio-tiempo curvo, donde un observador acelerado percibe un contenido de partículas diferente al de uno inercial (el efecto Unruh).
En la práctica
La no conservación del número de partículas es esencial en los aceleradores de partículas, donde las colisiones crean nuevas partículas, y en la cosmología, donde la creación de partículas en el universo temprano explica la asimetría entre materia y antimateria.
Dato curioso
En el modelo estándar, el número bariónico total (un tipo de número de partículas) se conserva con alta precisión, pero ciertos procesos como los esfalerones pueden violarlo, lo que podría explicar por qué el universo tiene más materia que antimateria.
Cuando un núcleo atómico pesado se parte en dos fragmentos, entre ellos queda un hilo cuántico invisible. Ese hilo es el entrelazamiento: el estado de un fragmento está ligado instantáneamente al del otro, como si aún fueran una sola cosa.
El mundo cuántico está lleno de conexiones extrañas. Dos partículas pueden estar "enredadas": el estado de una influye al instante en la otra, aunque las separen kilómetros. Pero, ¿cómo saber si están realmente enredadas? Es como un ovillo de hilo: a primera vista no se distingue si es una madeja única o solo hebras enredadas.
Los estallidos rápidos de radio (FRB) son faros enigmáticos del Universo que en milisegundos emiten una energía comparable a la que el Sol libera durante siglos.
Los neutrinos son verdaderos fantasmas del microcosmos. Casi sin masa y sin carga, atraviesan los planetas como si fueran vacío. Pero dentro de cada neutrino no se esconde una partícula, sino tres: tres 'sabores' (electrónico, muónico y tau) que fluyen constantemente uno en otro. Esta danza se llama oscilación.
Sería un billar extraño si las bolas no tuvieran masa. No chocarían, sino que pasarían unas a través de otras sin notar obstáculos. Así se ve aproximadamente el intento de imaginar la luz como un flujo de partículas clásicas: pequeños corpúsculos elásticos que vuelan en línea recta. Una nueva demostración pone fin a esta imagen.
La luz que cae en un agujero negro transporta información, por ejemplo, el camino que ha seguido un fotón. El horizonte (la superficie de la que nada puede escapar) reacciona a ello cambiando su entropía, una medida del desorden similar al número de páginas mezcladas en un libro.
La gravedad es como un trampolín tensado: los cuerpos masivos lo hunden, haciendo que otros cuerpos rueden hacia ellos. Esta curvatura común del espacio — gravedad — actúa sobre todos, pero no transmite mensajes secretos.
El gran misterio de la física es cómo unir la curvatura del espacio-tiempo y la mecánica cuántica. A la longitud de Planck, miles de millones de veces más pequeña que un átomo, las leyes dejan de funcionar. Este umbral lo descubrió Max Planck.
Tratar de suprimir el ruido de fondo de una habitación añadiendo un sonido contrario se convierte en un aullido de los altavoces si hay un error en el circuito. Un fallo similar ocurrió con una teoría que pretendía eliminar el principal zumbido del cosmos: la inexplicablemente débil energía oscura.
La luz está compuesta de porciones: fotones. Max Planck fue el primero en comprender que la luz se emite en cuantos. Hoy en día, se pueden dirigir fotones individuales. Cuando un fotón así se encuentra con un obturador rápido, no se puede cortar, no existe el medio fotón.
La luz golpea una placa metálica y de ella salen electrones. Eso es el efecto fotoeléctrico, y solo funciona si la luz tiene energía suficiente para superar el umbral que mantiene a los electrones dentro.
