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Las fuerzas de la Naturaleza

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (12)

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Fuerzas Fundamentales:

Como pueden haber deducido, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos.  Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el universo.

Viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar en una teoría o modelo a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones. Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del universo. Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles.

Antes, cuando hablamos de la relatividad general, ya se adelantó el concepto de la fuerza gravitatoria, unas 1040 veces más débil que la fuerza electromagnética. Es la más débil de todas las fuerzas y sólo actúa entre los cuerpos que tienen masa. Es siempre atractiva y pierde intensidad a medida que las distancias entre los cuerpos se agrandan. Como ya se ha dicho, su cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, esta fuerza es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener a los componentes del universo juntos. De hecho, sin esta fuerza no existiría el Sistema Solar ni las galaxias, y seguramente, nosotros tampoco estaríamos aquí. Es la fuerza que tira de nuestros pies y los mantiene firmemente asentados a la superficie del planeta. Aunque la teoría clásica de la gravedad fue la que nos dejó Isaac Newton, la teoría macroscópica bien definida y sin fisuras de la gravitación universal es la relatividad general de Einstein, mucho más completa y profunda.

Por el momento, no hay una teoría cuántica de la interacción gravitatoria satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas pueda dar una teoría cuántica de la gravitación consistente, además de unificar la gravedad con los demás interacciones fundamentales sin que surjan los dichosos e indeseados infinitos.

La interacción débil, que es unas 1010 veces menor que la interacción y electromagnética, ocurre entre leptones y en la desintegración de los hadrones. Es responsable de la desintegración beta de las partículas y núcleos. En el modelo actual, la interacción débil se entiende como una fuerza mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios, que para esta fuerza son las partículas W+, W y Z0.  Las interacciones débiles son descritas por la teoría electrodébil, que las unifica con las interacciones electromagnéticas.

La teoría electrodébil es una teoría gauge de éxito que fue propuesta en 1967 por Steven Weinberg y Abdus Salam, conocida como modelo WS.  También Sheldon Glashow, propuso otra similar.

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas. Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un modelo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales. Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tiene una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describe con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

La interacción fuerte es unas 102 veces mayor que la interacción electromagnética y, como ya se dijo antes, aparece sólo entre los hadrones y es la responsable de las fuerzas entre nucleones que confiere a los núcleos de los átomos su gran estabilidad. Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (10-15 metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por intercambio de mesones virtuales. Está descrita por una teoría gauge llamada cromodinámica cuántica.

Me he referido a una teoría gauge que son teorías cuánticas de campo creadas para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y las potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos. Las teorías gauge no abelianas son conocidas como teorías de Yang–Mills. Esta diferencia explica por qué la electrodinámica cuántica es una teoría mucho más simple que la cromodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electrodébil que unifica la fuerza débil con la electromagnética. En el caso de la gravedad cuántica, el grupo gauge es mucho más complicado que los anteriores necesarios para la fuerza fuerte y electrodébil.

En las teorías gauge, las interacciones entre partículas se pueden explicar por el intercambio de partículas (bosones vectoriales intermediarios o bosones gante), como los gluones, fotones y los W y Z.

El físico Enrico Fermi, refiriéndose al gran número de partículas existentes, dijo: “Si tuviera que saber el nombre de todas las partículas, me habría hecho botánico.

Por motivo parecido, aunque antes hemos descritos los grupos o familias más importantes de partículas, lógicamente sólo se nombraron las más comunes, importantes y conocidas como:

  • Protón, que es una partícula elemental estable que tiene una carga positiva igual en magnitud a la del electrón y posee una masa de 1’672614×10-27 Kg, que es 1.836’12 veces la del electrón. El protón aparece en los núcleos atómicos, por eso es un nucleón que está formado por partículas más simples, los quarks.
  • Neutrón, que es un hadrón como el protón pero con carga neutra y también permanece en el núcleo, pero que se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino con una vida media de 12 minutos fuera del núcleo. Su masa es ligeramente mayor que la del protón (símbolo mn), siendo de 1’6749286(10)×10-27 Kg. Los neutrones aparecen en todos los núcleos atómicos excepto en el del hidrógeno normal que está formado por un solo protón. Su existencia fue descubierta y anunciada por primera vez en 1932 por James Chadwick (1891 – 1974).
  • Neutrino, que es un leptón que existe en tres formas exactas pero con distintas masas. Tenemos el ve (neutrino electrónico) que acompaña al electrón, vμ (neutrino muónico) que acompaña al muón, y vt (neutrino tau) que acompaña a la partícula tau, la más pesada de las tres. Cada forma de neutrino tiene su propia antipartícula.

El neutrino fue postulado en 1.931 para explicar la “energía perdida” en la desintegración beta. Fue identificado de forma tentativa en 1953 y definitivamente en 1956. Los neutrinos no tienen carga y se piensa que tienen masa en reposo nula y viajan a la velocidad de la luz, como el fotón. Hay teorías de gran unificación que predicen neutrinos con masa no nula, pero no hay evidencia concluyente.

  • Electrón, que es una partícula elemental clasificada como leptón, con una carga de 9’109 3897 (54)×10-31 Kg y una carga negativa de 1’602 177 33 (49)×10-19 culombios. Los electrones están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor del núcleo; cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres. Su antipartícula es el positrón, predicha por Paul Dirac.

El electrón fue descubierto en 1897 por el físico británico Joseph John Thomson (1856 – 1940). El problema de la estructura (si la hay) del electrón no está resuelto. Si el electrón se considera como una carga puntual, su autoenergía es infinita y surgen dificultades en la ecuación conocida como de Lorente–Dirac.

Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio ro, llamado radio clásico del electrón, dado por e2/(mc2) = 2’82×10-13 cm, donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz. Este modelo también tiene problemas, como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.

Ahora se cree que los problemas asociados con el electrón deben ser analizados utilizando electrodinámica cuántica en vez de electrodinámica clásica.

El pión existe en tres formas diferentes: neutro, con carga positiva y con carga negativa.

Los piones cargados se desintegran en muones y neutrinos (leptones); el pión neutro se desintegra en dos fotones de rayos gamma.

Los piones como los kaones y otros mesones, como hemos dicho son una subclase de los hadrones; están constituidos por pares quark–antiquark y se cree que participan en las fuerzas que mantienen a los nucleones juntos en el núcleo. Al principio se pensó que el muón era un mesón, pero ahora se incluye entre los leptones como la variedad intermedia entre el electrón y la partícula tau.

Como dije antes, existe una lista interminable de partículas que necesitarían esta libreta completa para hablar de ellas, así que me he limitado a los más importantes en la composición de la materia.

emilio silvera

 

  1. 1
    Alex
    el 7 de noviembre del 2009 a las 12:33

    Estimado Emilio:

    ¿ A qué energías se producen la unión de las fuerzas fundamentales?

    Alex

    Responder
  2. 2
    emilio silvera
    el 7 de noviembre del 2009 a las 13:24

    Estimado amigo, el mismo artículo te responde.

    La más débil de las cuatro fuerzas es la Gravedad, unas 10 exp.40 veces más débil que la interacción electromagnética.  La Interacción débil es unas 10 exp.10 veces menor que la electromagnética, y, la Interacción fuerte (la más potente de todas) es 10 exp.2  mayor que la electromagnética.

    La Fuerza nuclear fuerte, es la que mantiene sujetos y confinados a los Quarks dentro de los hadrones y forman el núcleo del átomo. Por tal motivo, se necesita emplear tanta energía para romper el núcleo del protón al producir energía de fisión.

    Un abrazo.

    Responder
  3. 3
    emilio silvera
    el 7 de noviembre del 2009 a las 13:28

    La Unión de las fuerzas fundamentales, no se han producido aún, sólo las nucleares fuerte y débil y el electromagnetismo están incluídas dentro del Modelo Estándar pero, la Gravedad, ha quedado fuera, se presenta incompatible y, según parece, será la teoría de cuerdas la que (si finalmente se desarrolla) podrá posibilitar la unión de todas las fuerzas y, piensa que, para eso, la Energía necesaria sería la de Planck que está en el orden de 10 exp. 19 GeV.

    Hoy por hoy, ni uniendo los presupuestos de todos los paises del mundo, podríamos llegar a alcanzar dicha cota de energía. Es sólo un sueño.

    Responder
  4. 4
    Ramon Marquès
    el 7 de noviembre del 2009 a las 21:05

    Hola Emilio, hola Alex:
    En la concepción cosmológica que yo propongo el efecto frenado o la gravedad se produce por una fuerza que dimana de la partícula (o mejor, del complejo vibratorio de la partícula). Esta fuerza muy probablemente se corresponde con la nuclear fuerte, la nuclear débil o la electromagnética: De forma que de cerca son éstas las fuerzas que actúan, y de lejos  estas fuerzas actúan como fuerza gravitatoria. El crucigrama parece solucionarse así aunque comprendo que los cálculos matemáticos hacen falta para comprobarlo.
    Un abrazo. Ramon Marquès

    Responder
  5. 5
    Alex
    el 7 de noviembre del 2009 a las 21:40

    Estimado Ramón Marqués:

    ¿Es usted profesor de física, catedrático o maestro de la enseñanza de otra índole? Es usted una persona muy interesante y sus aportaciones son magníficas.

    Que tenga un buen fin de semana. Alex

    Responder
  6. 6
    Ramon Marquès
    el 8 de noviembre del 2009 a las 13:19

    Gracias, Alex, por tus amables palabras. No soy nada de lo que apuntas, soy un estudioso autodidacta de la Física Cuántica y Relativista, desde hace muchos años, que he intentado construir el crucigrama cosmológico. Siempre he entendido que este crucigrama es muy importante como base del pensamiento, un pensador que tiene equivocada la esta base cosmológica seguro que está equivocado en muchas cuestiones fundamentales.
    Un abrazo. Ramon Marquès

    Responder
  7. 7
    emilio silvera
    el 8 de noviembre del 2009 a las 18:04

    No le hagas mucho caso Alex, D. Ramón es una persona muy preparada y, algunas veces los títulos significan tan poca cosa como nada. Conozco a muchos Físicos que, ya quisieran tener las ideas que tiene D. Ramón y la sencilla profundidad con que las expone.

    En fin, él es una persona modesta, como todos los que de verdad saben, y, para mí, es un orgullo que, de vez en cuando, nos visite. 

    Responder
  8. 8
    Ramon Marquès
    el 8 de noviembre del 2009 a las 20:33

    Gracias, Emilio, y un fuerte abrazo. Ramon Marqués

    Responder
  9. 9
    atanasio camacho castillo
    el 9 de noviembre del 2009 a las 0:10

    donde emilio

    soy un aficionado del a ciencia fisica,,,principalmente en la relatividfa de einstein,,,,,,,,,y yla fisica cuantica…..de max plank,,,,,,,,,,,,,,,,,pero eso es dificil de entender y de escudriñar el universo…….a antes nuestro peqaueños parpadeos de nuestros ojos si ,,,,,,que parece que nada cambia pero ,,,,,,,,,,,,,,,,,,si esta en un tiempo cuantico…ante nuestro paso que es tan corto sin darnos que ya no estamos aqui?????

    pero actualmente estoy escribiendo un libro de geologia……………que nada tiene que ver con la fisica

    si no los cambios tormentoso de nuestro planeta en que vivimos,,,,,,,,,,,,,,,,,,,eso si cambia a simple vista pero en un tiempo geologico, que parece no cambiar, pero si……….ya que nuestro paso es tan corto
    actualmente estoy investigando el estado de COAHUILA, SONORA BC N Y SUR………………YA QUE EN ESTA PARTE ES DONDE SE ENCUENTRA EL MAYOR VESTIGIO DE LA ERA PALEOZOICA, CENOZOICA, MESOSOICA Y CUARTENARIA,,,,,,,,,,YA QUE NUESTRO PLANETA ANTES SE LLAMABA PANGEA EN SOLO SUPERCONTINENTE,,,`PERO ESO FUE HACE 35 M.A EN QUE LAS PLACA SE SEPARARON

    Responder
  10. 10
    Alex
    el 9 de noviembre del 2009 a las 0:25

    Estimado Atanasio:

    No he entendido completamente la labor que llevas a cabo.

    Un abrazo

    Responder
  11. 11
    atanasio camacho castillo
    el 9 de noviembre del 2009 a las 0:31

    asi es amigo mio…………………eso es la fisica,,,,,,,,,,,,,,,,,,de no entender nada soloteorias y a veces incomprensibles, solo teorias…………….no

    Responder
  12. 12
    Alex
    el 9 de noviembre del 2009 a las 0:44

    ¿Está estableciendo alguna relación entre la geología y la Física?

    Responder

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