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Quarks y Física Cuántica

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física, Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (36)

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Durante mucho tiempo se creyó que los protones y neutrones que conforman el núcleo de los átomos eran partículas “elementales”, pero experimentos en los aceleradores de partículas en los que colisionaban protones con otros protones o con electrones a velocidades cercanas a la de la luz indicaron que, en realidad, estaban formados por partículas aun más pequeñas.  Estas partículas fueron llamadas quarks por el físico de Caltech, el norteamericano, Murray Gell–Mann, que ganó el Nobel en 1.969 por su trabajo sobre dichas partículas y el modelo del óctuple camino.

Desde que Max Planck sembrara aquella primera semilla, la teoría cuántica ha avanzado hasta cotas de icreíble perfección en simetría y resultados, procurando al hombre/mujer una máquina muy valiosa para el conocimiento de la Naturaleza del Universo y la materia que lo puebla.

La palabra quark se supone que debe pronunciarse como quart (“cuarto”), pero con una k al final en vez de una t, pero normalmente se pronuncia de manera que rima con lark (“juerga”).

Existen un cierto número de quarks:

  • Up (arriba),
  • Down (abajo),
  • Strange (extraño),
  • Charmed (encantado),
  • Bottom (fondo) y
  • Top (cima).

Los quarks son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz visible y, por lo tanto, no paseen ningún color en el sentido normal de la palabra. Así, los colores que le asignan los físicos están referidos a cuestiones imaginativas para nombrar a las nuevas partículas a las que asignar colores entre el rojo, verde y azul.

Ahora sabemos que un protón y un neutrón están constituidos por quarks, uno de cada color. Un protón contiene dos quarks up y un quark down; un neutrón contiene dos down y uno up. Se pueden crear partículas constituidas por los otros quarks (strange, charmed, bottom y top), pero todas ellas poseen una masa mucho mayor y decaen muy rápidamente en protones y neutrones.

Actualmente sabemos que ni los átomos, ni los protones y neutrones, dentro de ellos, son indivisibles. La cuestión que se nos plantea es: ¿cuáles son las verdaderas partículas elementales, los ladrillos básicos con los que están hechas todas las cosas, desde una gota de rocío, a una rosa, pasando por nosotros mismos o una inmensa galaxia?

Pero eso sí, tengo muy clara una cuestión:

Después de lo anteriormente explicado está claro que tenemos que dominar lo muy pequeño para poder dominar lo muy grande.

El dominio (relativo) del universo atómico, como hemos visto antes, nos ha reportado grandes beneficios. Sin embargo, nos queda aún mucho camino por recorrer.

Conocemos de otras muchas funciones que en la materia y las partículas que las confroman están presentes, sin embargo, no sabemos que puede haber más alla de los Quarks, esas distancias a las que podrían encontrarse esos otros objetos (si en realidad existen, como por ejemplo las cuerdas), no están a nuestro alcance, no podemos disponer de la Energía de Planck, 1019 GeV para llegar hasta ellas. Poe ejemplo, la masa del protón es del orden de 10-27 kg y las mayores energía alcanzables en nuestros aceleradores actuasles son del orden de 103 GeV (aunque ahora con el LHC tenemos hasta 14 TeV), pero los efectos de la gravitación cuántica no aparecen en los laboratorios de física de partículas. Sin embargo, en el Universo primitivo las partículas tenían energías del orden de la masa de Planck, 10-8 kg que es la equivalente en energía a los 1019 GeV que serían necesarios para sondear, no ya a los Quarks sino también a las cuerdas.

El Modelo Estándar de la física nos explica (con sus defectos) las partículas elementales que conforman la materia: quarks, hadrones, leptones, etc.  También nos explica las fuerzas que interaccionan con estas partículas: la nuclear fuerte y la débil, el electromagnetismo y la gravedad. Veamos alguna característica y para qué sirven dichas fuerzas, así como su alcance y potencia.

                                                                                   Muchos son los miterios que nos quedan por resolver.

El Universo se rige por estas cuatros fuerzas fundamentales (al menos que sepamos, de momento no se sabe de la existencia de alguna otra, aunque a veces sospecho que la Gravedad, no está totalmente entendida y, podría, tener alguna otra ramificación desconocida que oculta su caracter “repulsivo”, es decir, que podría ser, como el electromagnetismo tanto atractiva como respulsiva en circunstancias dadas, y, precisamente ahí podría radicar el misterio del alejamiento de las galaxias que endosamos a la materia oscura. Bueno, es sólo una idea.

Archivo:CNO Cycle.svg

Fuerza nuclear fuerte

Su alcance en metros: < 3 × 10-15, se dice que la propiedad de los quarks conocida como libertad asintótica hace que la interacción entre ellos sea débil cuanto más cerca están los unos de los otros, están confinados con los gluones en un radio o región de:  r » hc/L » 10-13 cm.

Al contrario de las otras fuerzas, esta crece con la distancia. Tiene una fuerza relativa de 1041. Es la responsable de mantener unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico.

La partícula portadora de la fuerza es el gluón (glue en inglés, es pegamento) que en número de ocho, actúa como un espeso pegamento en forma de muelle que, cuanto más se estira más fuerza genera.

La interacción nuclear fuerte es la mayor, la de más potencia de las cuatro fuerzas fundamentales, es 102 veces mayor que la fuerza electromagnética, aparece sólo entre los hadrones (protones, neutrones, etc). Como dijimos al principio, actúa a tan corta distancia como 10-15 metros, mediado por los mesones virtuales que llamamos Gluones.


            Fuerza nuclear débil

 

Fuerza nuclear débil

La fuerza nuclear débil (o interacción débil) permite que los neutrones se conviertan en protones emitiendo radiación durante el proceso, esto lo hace por medio de la desintegración beta  con los con los bosones W,  ademas también emite un electrón y un electrón anti-neutrino. La razón por la cual un neutrón se convierte en proton, es por que en su composición normal esta conformado por dos quarks down y un quark up, el neutrón se convierte, cuando un quark down cambia su “sabor” a up.

Su alcance es de < 10-15 metros, su fuerza relativa de 1028, intervienen en la radiación radiactiva, ocurre entre leptones (electrones, muones, tau y los correspondientes neutrinos asociados) y en la desintegración de los hadrones, la desintegración beta de las partículas y núcleos. Está mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios: en este caso, las partículas W+, W y  Z0. Esta interacción se describe por la teoría electrodébil que la unifica con las interacciones electromagnéticas.

En este proceso llamado desintegración beta y debido a la interacción débil, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un (anti)neutrino electrónico cuando uno de los quarks del neutrón emite una partícula W–. Aquí queda claro que el término “interacción” es más general que “fuerza”; esta interacción que hace cambiar la identidad de las partículas no podría llamarse fuerza.

 

Las interacciones electromagnéticas

Tiene un alcance infinito, su fuerza relativa es de 1039, es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Unen los átomos para formar moléculas, propaga la luz, las ondas de radio y otras formas de energías.

Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario de las interacciones gravitacionales, puede ser tanto atractiva como repulsiva.

Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un campo 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 tienen una teoría clásica bien definida dada por las ecuaciones de Maxwell.

La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas, se describen con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

La interacción gravitacional

NASA- Sistema solar

La interacción gravitacional, conocida como la fuerza de gravedad, es unas 1040 veces más débil que la interacción electromagnética; es la más débil de todas las fuerzas de la naturaleza.  Su alcance, como el de la fuerza electromagnética, es infinito, y su fuerza relativa es de 1. Su función es actuar entre los cuerpos masivos sobre los que ejerce una fuerza atractiva en función de sus masas y de las distancias que los separa, mantienen unidos los planetas alrededor del Sol, las estrellas en las galaxias y nuestros pies pegados a la superficie de la Tierra.

La interacción puede ser comprendida utilizando un campo clásico en el que la intensidad de la fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia entre los cuerpos interaccionantes (Ley de Newton).

El hipotético cuanto de gravitación, el bosón denominado gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, la fuerza gravitacional es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener el equilibrio entre los componentes del universo.

Sin la fuerza de gravedad, el universo sería un completo caos, todos los planetas, estrellas y demás objetos cosmológicos estarían vagando sin rumbo por el vacío estelar y las colisiones serían lo cotidiano.

Debido a que las interacciones gravitacionales son de largo alcance, hay una teoría macroscópica bien definida, que es la relatividad general de Einstein.

Por el momento no hay teoría cuántica de la gravedad que sea satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas, en su versión más avanzada conocida como teoría M de Edward Witten, nos pueda dar una teoría cuántica de la gravedad que sea consistente y nos explique cuestiones que ahora no tienen respuestas.

emilio silvera

 

  1. 1
    Fandila
    el 21 de septiembre del 2012 a las 10:23
  2. 2
    kike
    el 21 de septiembre del 2012 a las 15:27

    Aparte de vericuetos idiomáticos, muchas veces imposibles de discernir, lo que creo que subyace en esa máxima de que “En principio era el Verbo”, o “El Verbo se hizo hombre”, es más como una alegoría de las maravillas que un Ser Todopoderoso fuera capaz de relizar como demostración de su magnificicencia; pero es que incluso pudiera ser  que exista algo más; algo que sin saber exactamente de lo que se trata, nos deja bastante perplejos y cavilativos; parece como si tocase alguna tecla en nuestro subconsciente que reconociera algo en esa frase, por una parte tan categórica y por otra tan imposible ante nuestro raciocinio.

     Si tengo algo de tiempo miraré de aprender algo más sobre este tema, que me parece interesante por lo peculiar (Y que conste que me considero agnóstico). 

    Responder
  3. 3
    kike
    el 21 de septiembre del 2012 a las 15:47

    “La palabra traducida verbo es el griego logos. Para la filosofía griega, el logos era el principio racional que organiza el universo”

     Así que simplemente se querría decir que el “Verbo”, como principio racional que organiza el Universo, era Dios; y Dios se hizo carne a través de la Trinidad  para salvar a la humanidad de sus pecados.  

      Y digo yó; si algún día se demostrara que existen numerosas especies inteligentes en el Universo, dotadas de alma y todo eso, y que al igual que el hombre andaran erradas, ¿Existirán por tanto numerosas transmutaciones del Verbo en carne? , o por el contrario la humanidad es la única elegida para su salvación?

     ….Creo que más vale dejarlo ahí…..    

    Responder
  4. 4
    Fandila
    el 21 de septiembre del 2012 a las 15:47

    Corramos el velo.
    El Génesis el primer libro o capítulo de la Biblia es varios miles de años anterior a Juan. “Y yo soy el que soy” de Moises tampoco es muy coetaneo que se diga. En las enseñanzas que nos daban de religión asi se nos decía y el profesor  no era un inexperto.
    Dejémoslo para ellos.
    Saludos, estimado Nelson.

    Responder
    • 4.1
      Fandila
      el 21 de septiembre del 2012 a las 17:28

      Ahora que lo miro, creo que me he pasado en los milenios.

      Responder
  5. 5
    Fandila
    el 21 de septiembre del 2012 a las 15:55

    La entradas a los comentarios se han fraccionado. En la otra explico el porque la palabra “verbo” se considera como “ser”. Hasta ahora es lo que me habían enseñado. Todo depende del contexto, supongo.
    Agradezco tus puntualizaciones, kike.

    Responder
  6. 6
    kike
    el 21 de septiembre del 2012 a las 16:01

    Notición astronómico; hallado en Siberia un depósito de diamantes en el fondo de un cráter de meteorito con “trillones de quilates” y aún así parece ser que no será rentable en mucho tiempo…XC.

    http://www.rtve.es/alacarta/videos/telediario/descubren-siberia-enorme-deposito-diamantes-trillones-quilates/1533023/ 

    Ya me imagino a miles de personas excavando en los cráteres de todo el mundo (¿Fiebre del diamante?)   

    Responder
  7. 7
    kike
    el 21 de septiembre del 2012 a las 16:19

    Hola Fandila.

     No trataba de puntualizar nada, que soy bastante ignorante del tema como para atreverme a puntualizaciones; simplemente pensaba en voz alta sobre el asunto, que siempre viene bien un poco de debate.

     Saludos cordiales.   

    Responder
    • 7.1
      Fandila
      el 21 de septiembre del 2012 a las 16:33

      Pero no hay forma de parar esta ristra…
      Ya sé Kike que a mí no me puntualizabas nada, pero lo que aportas a mi vale, que de lenguas y religiones bien poco entiendo.
      Como dice Nelson, pasemos hoja. Saludos para todos.
       

      Responder
  8. 8
    Fandila
    el 21 de septiembre del 2012 a las 16:47

    Si se me permite, puestos a pasar hoja saco a relucir a un autor, que se nos impartía en aquella asignatura con pretensión de “Política”.

     
     
    Joseph Rudyard Kipling. Escritor y poeta británico nacido en la India. Autor de relatos, cuentos infantiles, novelista y poeta, se le recuerda por sus relatos y poemas sobre los soldados británicos en la India y la defensa del imperialismo occidental, así como por sus cuentos infantiles. Algunas de sus obras más populares son la colección de relatos The Jungle Book (El libro de la selva, 1894), la novela de espionaje Kim (1901), el relato corto The Man Who Would Be King (El hombre que pudo ser rey, 1888), publicado originalmente en el volumen The Phantom Rickshaw, o los poemas Gunga Din (1892) e If— (traducido al castellano como Si…, 1895). Además varias de sus obras han sido llevadas al cine. Fue iniciado en la masonería a los veinte años, en la logia «Esperanza y Perseverancia Nº 782» de Lahore, Punjab, India.
    En su época fue respetado como poeta y se le ofreció el premio nacional de poesía Poet Laureateship en 1895 (poeta laureado) la Order of Merit y el título de Sir de la Order of the British Empire (Caballero de la Orden del Imperio Británico) en tres ocasiones, honores que rechazó. Sin embargo aceptó el Premio Nobel de Literatura de 1907 y fue el ganador del premio Nobel de Literatura más joven hasta la fecha, y el primer escritor británico en recibir este galardón.Nota: Hay diferentes traducciones a sus poemas, desconozco los autores de estas,..                        
    Fuente :http://es.wikipedia.org/wiki/Rudyard_Kipling
     …………………………………………………………………….
     
    He aquí un ejemplo que ahora localizo y que parcialmenete recordaba de mis años mozos.
     
    Y serás hombre…

    Si en tu puesto mantienes la cabeza tranquila, 
    Cuando a tu lado todo es cabeza perdida.
    Si tienes una fe en ti mismo que te niegan
    Y no desprecias nunca las dudas que ellos tengan.
    Si esperas en tu puesto, sin fatiga en la espera.
    Si, engañado, no engañas,
    Y no buscas más odio que el odio que te tengan.
    Si eres bueno y no finges ser mejor de lo que eres,
    Si al hablar no exageras lo que sabes y quieres.
     
    Si sueñas y los sueños no te hacen su esclavo.
    Si piensas y rechazas lo que piensas en vano.
    Si tropieza el triunfo, si llega la derrota,
    Y a los dos impostores los tratas de igual modo.
    Si logras que se sepa la verdad que has hablado,
    A pesar del sofisma del orbe encanallado.
    Si vuelves al comienzo de la obra perdida,
    Aunque esta obra sea la de toda tu vida.
     
    Si arriesgas en un golpe, y lleno de alegría,
    Tus ganancias de siempre a la suerte de un día,
    Y pierdes, y te lanzas de nuevo a la pelea,
    Sin decir nada a nadie de lo que es y lo que era.
    Si logras que tus nervios y el corazón te asistan,
    Aun después de la fuga de tu cuerpo en fatiga,
    Y se agarren contigo, cuando no quede nada;
    Por qué tú los deseas, lo quieres y mandas.
     
    Si hablas con el pueblo y guardas tu virtud,
    Si marchas junto a reyes con tu paso y tu luz.
    Si nadie que hiera llega a hacerte la herida.
    Si todos te reclaman y ninguno te precisa.
    Si llenas el minuto inolvidable
    Y cierto de sesenta segundos que te lleven al cielo.
    Todo lo de esta tierra será de tu dominio,
    Y mucho más aún: Serás hombre, hijo mío.
              RUDYARD KIPLING
     

    Responder
  9. 9
    verfractal
    el 10 de diciembre del 2012 a las 14:56

    Experimento de la Doble Rejilla, abrió el mundo de la física cuántica y que cambió el mundo para siempre http://www.verfractal.es/2012/11/el-experimento-de-la-doble-rejilla.html

    Responder
    • 9.1
      emilio silvera
      el 11 de diciembre del 2012 a las 6:16

      ¡Cierto! Aquello dio lugar a uno de los muchos cambios que la ciencia produjo en “nuestro mundo” particular, ya que, el “mundo” de la Naturaleza… ¡Nunca cambia! Se comporta siempre de la misma manera y repite los ciclos una y otra vez para, que nosotros, los podamos descubrir.
       

      Responder

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