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Interacciones

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (11)

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Como pueden haber deducido por el título, 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.

Recreación de la Tierra según la fuerza de la gravedad. | ESA -   Efe Agencia

Recreación de la Tierra según la fuerza de la gravedad. | ESA – Efe Agencia

El satélite GOCE de la Agencia Espacial Europea (ESA) ha logrado obtener el modelo más preciso visto hasta ahora del campo gravitatorio de la Tierra, que se parece más a una patata que a una esfera con los polos aplanados.

Así lo dijeron expertos en observación de la Tierra reunidos en la Universidad Politécnica de Múnich (sur de Alemania) para presentar los primeros resultados del satélite europeo GOCE (acrónimo en inglés de Explorador de la Circulación Oceánica y de la Gravedad).

En el trabajo que sigue, cuando hablamos de la relatividad general, nos referimos alconcepto 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 deEinstein, mucho más completa y profunda.

Nadie ha podido lograr, hasta el momento, formular una teoría coherente de la Gravedad Cuántica que unifique las dos teorías. Claro que, la cosa no será nada fácil, ya que, mientras que aquella nos habla del macrocosmos, ésta otra nos lleva al microcosmos, son dos fuerzas antagónicas que nos empeñamos en casar.

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.

File:Beta-minus Decay.svg

La fuerza débil recibe su nombre porque a la escala de sus interacciones es la más débil dentro del modelo estándar. Pero ojo, esto no incluye la gravedad, puesto que la gravedad no pertenece al modelo estándar por el momento. La interacción débil ocurre a una escala de 10^{-17} metros, es decir, la centésima parte del diámetro de un protón y en una escala de tiempos muy variada, desde 10^{-13} segundos hasta unos 5 minutos. Para hacernos una idea, esta diferencia de órdenes de magnitud es la misma que hay entre 1 segundo y 30 millones de años.

La interacción débil, que es unas 1010 veces menor que la interacción  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 1.967 por Steven Weinberg y Abdus Salam, conocida como modelo WS.  También Sheldon Glashow, propuso otra similar.

Archivo:Ferrofluid poles.jpg

Ferrofluido que se agrupa cerca de los polos de un magneto poderoso.

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.

El electromagnetismo está presente por todo el Universo

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 el intercambio de mesones virtuales llamados Gluones. Está descrita por una teoría gauge llamada Cromodinámica cuántica.

La interacción fuerte, como se ha explicado muchas veces, es la más fuerte de todas las fuerzas fundamentales de la Naturaleza, es la responsable de mantener unidos los protones y neutrones en el núcleo del átomo. Como los protones y neutrones están compuestos de Quarks, éstos dentro de dichos bariones, están sometidos o confinados en aquel recinto, y, no se pueden separar por impedirlo los gluones que ejercen la fuerza fuerte, es decir, esta fuerza, al contrario que las demás, cuando más se alejan los quarks los unos de los otros más fuerte es. Aumenta con la distancia.

El concepto de campo de Faraday ha dado mucho juego en Física, es un concepto ideal para explicar cierttos fenómenos que se han podido observar en las investigaciones de las fuerzas fundamentales y otros. El campo no se ve, sin embargo, está ahí, rodea los cuerpos como, por ejemplo, un electrón o el planeta Tierra que emite su campo electromagnético a su alrededor y que tan útil nos resulta para evitar problemas.

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 todo lo antes expuesto, es preciso conocer los grupos o familias más importantes de partículas, lógicamente  “el espacio tiempo” nos limita y, me remitiré a  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 1836,12 veces la del electrón. El protón aparece en los núcleos atómicos, por eso es un nucleón que estáformado 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 que está formado por un solo protón. Su existencia fue descubierta y anunciada por primera vez en 1.932 por James Chadwick (1891-1974.

Los neutrinos, se cree que no tienen masa o, muy poca, y, su localización es difícil. Se han imaginado grandes recipientes llenos de agua pesada que, enterrados a mucha profundidad en las entrañas de la Tierra, en Minas abandonadas, captan los neutrinos provenientes del Sol y otros objetos celestes, explosiones supernovas, etc.

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 1.953 y definitivamente en 1.956. 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.

Se ha conseguido fotografíar a un electrón. Poder filmar y fotografiar un electrón no es fácil por dos razones: primero, gira alrededor del núcleo atómico cada 0,000000000000000140 segundos , y, segundo, porque para fotografiar un electrón es necesario bombardearlo con partículas de luz (y cualquier que haya intentado sacarle una foto a un electrón sabe que hay que hacerlo sin flash).

Electrón, que es una partícula elemental clasificada como leptón, con una carga de 9’109 3897 (54)×10-31Kg y una carga negativa de 1´602 177 33 (49) x 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.

Crookes tube-in use-lateral view-standing cross prPNr°11.jpg

La naturaleza de partícula del electrón se demostró por primera vez con un tubo de Crookes. En esta ilustración, un haz de electrones proyecta el perfil en forma de cruz del objetivo contra la cara del tubo.

En los átomos existen el mismo número de protones que el de electrones, y, las cargas positivas de los protones son iguales que las negativas de los electrones, y, de esa manera, se consigue la estabilidad del átomo al equilibrarse las dos fuerzas contrapuestas.

El electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Joseph John Thomson (1.856 – 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) = 2’82×10-13cm, 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.

Muchas son las partículas de las que aquí podríamos hablar, sin embargo, me he limitado a las que componen la materia, es decir Quarks y Leptones que conforman Protones y Neutrones, los nucleaones del átomo que son rodeados por los electrones.

emilio silvera


  1. Interacciones « BLOG DE FÍSICA, el 18 de agosto del 2011 a las 8:41

    [...] hablamos de la relatividad general, ya se adelantó el concepto de la fuerza gravitatoria, unas 1040 veces más débil que la [...]

  2. ¡Interacciones fundamentales de la Naturaleza! Una reseña breve : Blog de Emilio Silvera V., el 22 de noviembre del 2012 a las 9:19

    [...] de todas las fuerzas fundamentales de la Naturaleza, es la responsable de mantener unidos los protones y neutrones en el núcleo del átomo. Como los protones y neutrones están [...]

 

  1. 1
    Joan Clusella
    el 20 de julio del 2011 a las 10:56

    Emilio,
    Cada vez quedo más sorprendido de los temas que nos das a conocer a tus seguidores, no hay calificativos de lo bien que esta hechos, me perderia en elogios.
    Con toda la información que ya hay disponible y alguna más (básica), se podria montar un CURSO DE CIENCIAS, desglosado por Grandes temas o Agisnaturas. (por internet, Distancia). Tenemos la oportunidad, ya no de leerlo sino de estudiarlo, aumentar nuestros conocimientos ya de manera cientifica, para todos los interesados, ya seasn cientificos o personas que se quieran iniciar o continuar con estos temas.
    Solo habria que hacer un TEMARIO y a caso dividido en niveles.
    No quiero ni pensar la aportación cientifica, técnica, de conocimiento, que tenemos en nuestras manos, claro bajo tu dirección.
    Saludos, abrazos,
    Tu seguidos y admirador,
    Joan Clusella
    Barcelona
    Spain

    Responder
    • 1.1
      emilio silvera
      el 20 de julio del 2011 a las 12:05

      Amigo Joan, precisamente de eso se trata. Si cada día ponemos aquí algún trabajo que adornamos con bonitas imágenes, y, lo que se trata (no siempre se consigue) es contado o explicado de manera amena y sencilla que pueda ser entendida por todos, el objetivo está cubierto, ya que, de eso se trata de divulgar la Ciencia en sus distintas vertientes a cuanta más personas mejor.

      Hay quien no ha tenido la posibilidad (por diversos motivos) de acceder a estos temas y oir estas explicaciones, así que, aprovechamos para exponerlos aquí y que tengan esa oportunidad de conocer, de llegar a comprender y conseguir al fin saber.

      El cursillo del que hablas, se está dando en la Asociación de Amigos de la Física 137 ehc que presido, y, no sabes cuanta gente se benefician de todo lo que aquí tratamos.

      ¡Ah! También yo aprendo mucho de los demás.

      Un cordial saludo estimado amigo.

      Responder
  2. 2
    Fandila
    el 28 de septiembre del 2012 a las 0:56

    La gran unificación será dificil de obtener mientras se siga pensando que a cada fuerza corresponde un bosón portador.
    La unificicación solo será posible en lo más profundo de la materia, en su movimiento, y como la expansión concentración del Universo que genera la gravedad, y es causa de  todos los movimientos de traslación y giro derivados que darían origen a la creación de elementos diversos. Los más elementales y antiguos se constituirían como los portadores por su idoneidad (Dimensiones) para toda materia normal.
    Según esto, la gravedad paradojicamente sería el origen de las demás fuerzas fundamentales, aunque realmente todas sean relativas entre sí.
    La gravedad es diferente al resto de la fuerzas. En ella no se da la simetría o bipolaridad. Podría suponerse como causa de las otras, aunque realmente todas coexisten en mayor o menor grado. Encontrar esa relación de relatividad pudiera ser la solución.
    Saludos.

    Responder
    • 2.1
      emilio silvera
      el 28 de septiembre del 2012 a las 3:28

      Es posible que lleves razón estimado amigo. Estamos inmersos en un océano de complejas cuestiones que tratamos de comprender y nos hemos percatado de que al llegar a escalas cada vez menores, también entramos en ámbitos de energías cada más mayores. Un átomo puede ser despojado de su electrón aplicando sólo unos miles de electrón voltios de energía, más para dispersar los nucleones que forman un núcleo atómico se requieren varios millones de electrón-voltios, y para liberar los quarks que constituyen cada nucleón se necesitan cientos de veces más energía aún.
      Si nos centramos profundamente en esta verdad que encierra la materia, esa relación nos da testimonio del pasado de las partículas: las estructuras más pequeñas, más fundamentales están ligadas por niveles de energías mayores porque las estructuras mismas fueron forjadas en el calor…¿del big bang?
      En cuanto a la unificación, me parece que estoy de acuerdo con lo que opina Tom Wood al respecto. Nosotros, los humanos, hemos construido modelos que tratan de explicar cómo es y cómo funciona la Naturaleza. No siempre lo hemos conseguido “del todo” y estamos en ello.
      Un cordial saludo amigo.

      Responder
      • 2.1.1
        Akiko
        el 25 de enero del 2014 a las 3:46

        la certeza, que, en cnonujto, viviremos cambios en nosotros, que nos van a permitir tener una amplia visif3n; una me1s die1fana perspectiva, de las cuestiones.Una de e9stas cuestiones, es nuestra Historia Colectiva, en tanto que RAZA HUMANA, en e9ste planeta. La historia (Real) es nuestra gran maestra, a efectos pre1cticos; es nuestra experiencia colectiva e individual, INALIENABLE, la base a partir de la cual estamos en condiciones de comprender el presente.Es mi deseo que e9ste blog, pueda servir como Blog viviente , donde confluyan las varias tendencias, al fin de que comprobemos la completariedad, de todo, en la manifestacion.Lo me1s importante; que busquemos coherencia en la libertad, siendo fieles a nosotros mismos,y que aprendamos a respetar la libertad ajena, sin condenar a nada ni a nadie.

        Responder
        • 2.1.1.1
          emilio silvera
          el 25 de enero del 2014 a las 7:37

          Que se cumplan esos buenos des4eos amigo.
           

    • 2.2
      Julian Luque
      el 30 de septiembre del 2012 a las 10:56

      Amigo Fandila,
      Amigo Emilio
      La gravedad, no és inherente de la materia, ni es ninguna partícula.
      Es el efecto de inercia de un volumen de vacío constante del universo.
      Os-mando de nuevo, mi escritos antiguos, que estoy corrigiendo y ampliando.
      Con afecto, Julian Luque

      Responder
      • 2.2.1
        Julian Luque
        el 30 de septiembre del 2012 a las 11:10
        Responder
      • 2.2.2
        emilio silvera
        el 1 de octubre del 2012 a las 5:19

        Amigo Julian:
        Nos dices “La gravedad, no és inherente de la materia, ni es ninguna partícula.”
        Sería bueno leer esos escritos a los que haces referencia y, ya veremos después que opinamos.
        Un abrazo.

        Responder

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