{"id":5453,"date":"2013-07-02T05:00:04","date_gmt":"2013-07-02T04:00:04","guid":{"rendered":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/?p=5453"},"modified":"2013-07-02T06:20:41","modified_gmt":"2013-07-02T05:20:41","slug":"la-fisica-el-modelo-estandar-la-m-c-y-la-r-g","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/www.emiliosilveravazquez.com\/blog\/2013\/07\/02\/la-fisica-el-modelo-estandar-la-m-c-y-la-r-g\/","title":{"rendered":"La F\u00edsica, el Modelo Est\u00e1ndar, la M.C. y la R.G."},"content":{"rendered":"

Queremos llegar hasta las entra\u00f1as mismas del Universo para desenterrar los secretos profundamente escondidos. No existen dudas al respecto, la tarea es descomunal, imposible para nuestra civilizaci\u00f3n de hoy, \u00bfpero y la de ma\u00f1ana?, \u00bfno habr\u00e1n vencido todas las barreras? Creo que el hombre es capaz de plasma<\/a>r en hechos ciertos todos sus pensamientos e ideas, s\u00f3lo necesita tiempo: El Tiempo siempre estar\u00e1 pero, \u00bfY nosotros?<\/p>\n

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\"universo.jpg\"<\/p>\n

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Muchos son los secretos del Universo que deseamos desvelar<\/p>\n

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Necesitaremos paciencia, mucha curiosidad que satisfacer y estar dispuesto a realizar el trabajo necesario. Cuando en 1.900, Max Planck, el f\u00edsico alem\u00e1n escribi\u00f3 un art\u00edculo sobre la radiaci\u00f3n de cuerpo negro que \u00e9l dec\u00eda emitirse en paquetes discretos, no continuos, a los que llam\u00f3 \u201ccuantos\u201d, nadie fue capaz de suponer que all\u00ed estaba la semilla de lo que m\u00e1s tarde se conocer\u00eda como la Teor\u00eda de la Mec\u00e1nica Cu\u00e1ntica que describ\u00eda a la perfecci\u00f3n el sistema matem\u00e1tico que nos descubri\u00f3 el universo del \u00e1tomo, de lo muy peque\u00f1o, infinitesimal. Por los a\u00f1os de 1.925 y 1.926, Edwin Schr\u00f6dinger, Werner Heisemberg y otros muchos desarrollaron esta teor\u00eda que derrib\u00f3 las barreras de creencias firmes durante siglos.<\/p>\n


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Hasta tal punto fue una revoluci\u00f3n que, a partir de aquellos descubrimientos, la Humanidad fue consciente de que realmente formaba parte de un todo llamado Universo. El Inmenso Universo comienza a conformarse en un todo mediante esos paquetes discretos que llamamos cuantos, y, nosotros, tambi\u00e9n somos \u00e1tomos y mol\u00e9culas como las grandes galaxias.<\/p>\n

Aquello fue una aut\u00e9ntica revoluci\u00f3n:<\/p>\n

1. Las fuerzas son creadas por el intercambio de paquetes discretos de energ\u00eda denominados cuantos.<\/p>\n

En contraste con la imagen geom\u00e9trica de Einstein<\/a> para una \u201cfuerza\u201d, en la teor\u00eda cu\u00e1ntica la luz iba a ser dividida en fragmentos min\u00fasculos. Estos paquetes de luz fueron llamados fotones<\/a>, y se comportaban de forma muy parecida a part\u00edculas puntuales. Cuando dos electrones<\/a> chocan, se repelen mutuamente, no a causa de la curvatura del espacio, sino debido a que intercambian un paquete de energ\u00eda, el fot\u00f3n<\/a>.<\/p>\n

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La energ\u00eda de estos fotones<\/a> se mide en unidades del algo denominado constante de Planck<\/a> (h ~ 10-27<\/sup> ergios por segundo). El tama\u00f1o infinitesimal de la constante de Planck<\/a> significa que la teor\u00eda cu\u00e1ntica da correcciones min\u00fasculas a las leyes de Newton<\/a>. \u00c9stas se denominan correcciones cu\u00e1nticas, y pueden ser despreciadas cuando describimos nuestro mundo macrosc\u00f3pico familiar y sus fen\u00f3menos familiares cotidiano. Sin embargo, cuando tratamos con el mundo subat\u00f3mico microsc\u00f3pico, las correcciones cu\u00e1nticas empiezan a dominar cualquier proceso f\u00edsico, y nos da cuenta de las propiedades extra\u00f1as y \u201ccontraintuitivas\u201d de las part\u00edculas subat\u00f3micas.<\/p>\n

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\"http:\/\/misdivagues.com\/wordpress\/wp-content\/uploads\/2009\/06\/fuerzas-fundamentales-5.jpg\"<\/p>\n

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2. Las diferentes fuerzas son causadas por el intercambio de diferentes cuantos como arriba podeis ver. Ah\u00ed teneis la intensidad, el alcance y la part\u00edcula mediadora de cada una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza.<\/p>\n

La fuerza d\u00e9bil, por ejemplo, es causada por el intercambio de un tipo diferente de cuanto, llamado part\u00edcula W (W es la inicial de \u201cweak\u201d [d\u00e9bil]). An\u00e1logamente, la fuerza fuerte que mantiene unidos los protones<\/a> y neutrones<\/a> dentro del n\u00facleo del \u00e1tomo es causada por el intercambio de part\u00edculas subat\u00f3micas llamados mesones<\/a> p. Tanto los bosones<\/a> W como los mesones<\/a> p se han visto experimentalmente en los residuos de los colisionadores de \u00e1tomos, verificando de este modo la conexi\u00f3n fundamental de este enfoque. Y finalmente, la fuerza subnuclear que mantiene los protones<\/a> y neutrones<\/a> e incluso los mesones<\/a> p juntos se debe al intercambio de part\u00edculas llamadas gluones<\/a> (glue en ingl\u00e9s es pegamento).<\/p>\n

De este modo, tenemos un nuevo \u201cprincipio unificador\u201d para las leyes de la f\u00edsica. Podemos unir las leyes del electromagnetismo, la fuerza d\u00e9bil y la fuerza fuerte postulando una variedad de cuantos diferentes que sirven de veh\u00edculo para las mismas. Tres de las cuatro fuerzas (excluyendo la gravedad) est\u00e1n as\u00ed unidas por la teor\u00eda cu\u00e1ntica, d\u00e1ndonos unificaci\u00f3n sin geometr\u00eda.<\/p>\n

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\"Microscopio
\nMicroscopio de rayos gamma<\/a> de Heisenberg. Cr\u00e9dito: Wikipedia\/GPL<\/a>.<\/em><\/p>\n

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De modo que, en el microscopio de Heisenberg, un fot\u00f3n<\/a> incide sobre el electr\u00f3n<\/a> y luego llega al microscopio. Pero para detectar la posici\u00f3n del electr\u00f3n<\/a> con mucha precisi\u00f3n hace falta un fot\u00f3n<\/a> de onda muy corta, es decir, con mucha energ\u00eda. Un fot\u00f3n<\/a> de radiaci\u00f3n gamma: y cuando ese fot\u00f3n<\/a> muy energ\u00e9tico choca con el electr\u00f3n<\/a>, lo manda disparado en una direcci\u00f3n determinada<\/strong>, independientemente de la velocidad que tuviera antes. Al saber muy bien d\u00f3nde estaba el electr\u00f3n<\/a> no tenemos ni idea de c\u00f3mo de r\u00e1pido va.<\/p>\n

3. Nunca podremos conocer simult\u00e1neamente la velocidad y la posici\u00f3n de una part\u00edcula subat\u00f3mica.<\/p>\n

Ese es el principio de incertidumbre<\/a> de Heisemberg, que es con mucho el aspecto m\u00e1s controvertido de la teor\u00eda, aunque ha resistido todos los desaf\u00edos en el laboratorio durante m\u00e1s de medio siglo. No hay desviaci\u00f3n experimental conocida de esta regla. El principio de incertidumbre<\/a> significa que nunca podemos estar seguros de d\u00f3nde se encuentra un electr\u00f3n<\/a> o cu\u00e1l es su velocidad. Lo m\u00e1s que podemos hacer es calcular la probabilidad de que el electr\u00f3n<\/a> aparezca en un cierto lugar con una cierta velocidad. La situaci\u00f3n no es tan desesperada como uno pudiera sospechar, porque podemos calcular con rigor matem\u00e1tico la probabilidad de encontrar dicho electr\u00f3n<\/a>. Aunque el electr\u00f3n<\/a> es una part\u00edcula puntual, est\u00e1 acompa\u00f1ado de una onda que obedece a una ecuaci\u00f3n bien definida, la ecuaci\u00f3n de ondas de Schr\u00f6dinger con su funci\u00f3n de onda (y), que nos dir\u00e1 con mucha probabilidad el lugar en el que aparecer\u00e1 el electr\u00f3n<\/a>.<\/p>\n

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\"Dibujo20091008_one_a_ten_b_and_many_c_iterations_of_kicked-top_transformation_showing_stability_regions_brown_and_chaos_green\"<\/p>\n

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Un sistema cu\u00e1ntico puede mostrar el efecto t\u00fanel incluso sin una barrera que atravesar, es el efecto t\u00fanel din\u00e1mico. En la figura c se muestran los estados ca\u00f3ticos (verde) y no ca\u00f3ticos (marr\u00f3n y violeta) de un sistema cl\u00e1sico. El modelo cu\u00e1ntico de dicho sistema ca\u00f3tico salta por efecto t\u00fanel din\u00e1mico entre los estados cl\u00e1sicos estables, evitando los estados ca\u00f3ticos. Una ilustraci\u00f3n experimental de este fen\u00f3meno de \u201ccaos cu\u00e1ntico\u201d ha sido obtenida por Jessen y sus colegas, quienes han logrado visualizar este efecto t\u00fanel con gran detalle, permitiendo la reconstrucci\u00f3n completa del estado cu\u00e1ntico del sistema conforme ocurre dicho proceso. Una exquisita visualizaci\u00f3n (incluye animaciones) de como el sistema cu\u00e1ntico \u201cevita\u201d atravesar las regiones ca\u00f3ticas que s\u00f3lo existen (o est\u00e1n permitidas) en el sistema cl\u00e1sico. El experimento ilustra a las mil maravillas las grandes dificultades que ofrece la transici\u00f3n de lo cl\u00e1sico a lo cu\u00e1ntico y viceversa, que muchos libros de texto (y f\u00edsicos) asumen casi como trivial. Nos lo cuenta Daniel A. Steck, \u201cQuantum mechanics: Passage through chaos<\/a>,\u201d News and Views, Nature 461: 736-737, 8 October 2009, haci\u00e9ndose eco del magn\u00edfico art\u00edculo t\u00e9cnico de S. Chaudhury, A. Smith, B. E. Anderson, S. Ghose, P. S. Jessen, \u201cQuantum signatures of chaos in a kicked top<\/a>,\u201d Nature 461: 768-771, 8 october 2009.<\/p>\n

4. Existe una posibilidad finita de que las part\u00edculas puedan \u201ctunelear\u201d o hacer un salto cu\u00e1ntico<\/a> a trav\u00e9s de barreras impenetrables.<\/p>\n

Esta es una de las predicciones m\u00e1s desconcertantes de la teor\u00eda cu\u00e1ntica. En el nivel at\u00f3mico, esta predicci\u00f3n no ha tenido otra cosa que \u00e9xitos espectaculares. El \u201cefecto t\u00fanel\u201d o salto cu\u00e1ntico<\/a> a trav\u00e9s de barreras ha sobrevivido a cualquier desafio experimental. De hecho, un mundo sin efecto t\u00fanel es ahora inimaginable.<\/p>\n

La mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, es el resultado de una idea iniciada por Max Planck con su cuanto de acci\u00f3n h, que fue posteriormente desarrollada por otros como Werner Heisemberg, Edwin Schr\u00f6dinger, Paul Dirac, Richard Feynman, y muchos m\u00e1s, incluso el mismo Einstein<\/a>, en 1.905 (el mismo a\u00f1o que dio a conocer su relatividad<\/a> especial), inspirado en el art\u00edculo de Max Planck sobre la radiaci\u00f3n de cuerpo negro, public\u00f3 un trabajo conocido como el \u201cefecto fotoel\u00e9ctrico\u201d que le vali\u00f3 el Nobel de F\u00edsica.<\/p>\n

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Imagen ilustrativa de la dualidad onda-part\u00edcula, en el cual se puede ver c\u00f3mo un mismo fen\u00f3meno puede tener dos percepciones distintas. Son llas extra\u00f1ezas de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica de la que nos quedan muchas cosas por comprender.<\/p>\n

La mec\u00e1nica cu\u00e1ntica es la suma de mucho ingenio, conocimiento, matem\u00e1ticas y trabajo, que ha permitido tener una poderosa herramienta que nos explica el mecanismo de las part\u00edculas elementales en el universo microsc\u00f3pico del \u00e1tomo.<\/p>\n

Mientras que Einstein<\/a> conjetur\u00f3 el marco entero de la relatividad<\/a> general con s\u00f3lo intuici\u00f3n f\u00edsica, los f\u00edsicos de part\u00edculas se estaban ahogando en una masa de datos experimentales y como comentaba el gran f\u00edsico Enrico Fermi<\/a> \u201csi yo pudiera recordar los nombres de todas estas part\u00edculas, habr\u00eda sido bot\u00e1nico<\/em>\u201d. Tal era el n\u00famero de part\u00edculas que surg\u00edan de entre los restos de los \u00e1tomos tras las colisiones en los aceleradores que las hac\u00edan chocar a velocidades cercanas a c.<\/p>\n

Toda la materia consiste en quarks<\/a> y leptones<\/a>, que interaccionan intercambiando diferentes tipos de cuantos, descritos por los campos de Maxwell y de Yang-Mills<\/a>.<\/p>\n

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Aqu\u00ed est\u00e1n represntadas las familias de los Quarks que son los que forman los nucleones<\/a> (protones<\/a> y neutrones<\/a>) y tambi\u00e9n los mesones<\/a>. La otra familia es la de los leptones<\/a> (electr\u00f3n<\/a>, mu\u00f3n<\/a> y part\u00edcula tau<\/a> con sus neutrinos<\/a> asociados que, junto con los nucleaones construyen los \u00e1tomos. Por \u00faltimo, aparecen los Bosones intermediarios de las distintas fuerzas: El Fot\u00f3n para el electromagnetismo, los W y Z para la fuerza d\u00e9bil, el Glu\u00f3n para la fuerza nuclear fuerte<\/a> y, se deja fuera el transmisor de la Gravedad, el gravit\u00f3n<\/a> a\u00fan no observado.<\/p>\n

El Modelo Est\u00e1ndar nos describe todas las familias de part\u00edculas subat\u00f3micas que componen la materia y c\u00f3mo act\u00faan las fuerzas al interaccionar con ellas, incluyendo la teor\u00eda de Maxwell del electromagnetismo que gobierna la interacci\u00f3n de los electrones<\/a> y de la luz, y que se conoce por electrodin\u00e1mica cu\u00e1ntica, cuya correcci\u00f3n ha sido verificada experimentalmente dentro de un margen de error de una parte en 10 millones, lo que la hace ser la teor\u00eda m\u00e1s precisa en la historia de la f\u00edsica.<\/p>\n

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\"http:\/\/guillegg.files.wordpress.com\/2008\/04\/evento-atlas.gif\"<\/p>\n

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Llegar al Modelo Est\u00e1ndar de la F\u00edsica cost\u00f3 el esfuerzo de m\u00e1s de un siglo de investigaci\u00f3n y trabajo te\u00f3rico de muchos en el descubrimiento del dominio subat\u00f3mico.<\/p>\n

La fuerza d\u00e9bil gobierna las propiedades de los \u201cleptones<\/a>\u201d, tales como el electr\u00f3n<\/a>, el mu\u00f3n<\/a> y el mes\u00f3n<\/a> tau<\/a> y sus neutrinos<\/a> asociados. Al igual que las otras fuerzas, los leptones<\/a> interaccionan intercambiando cuantos, llamados bosones<\/a> W y Z. Estos cuantos tambi\u00e9n se describen matem\u00e1ticamente por el campo de Yang-Mills<\/a>. A diferencia de la fuerza glu\u00f3nica, la fuerza generada por el intercambio de bosones<\/a> W y Z es demasiado d\u00e9bil para mantener los leptones<\/a> en una resonancia, de modo que no vemos un n\u00famero infinito de leptones<\/a> emergiendo de nuestros colisionadores de \u00e1tomos.<\/p>\n

De la fuerza fuerte, el Nobel Steven Weinberg, uno de los creadores del Modelo Est\u00e1ndar, escribi\u00f3: \u201cExiste una larga tradici\u00f3n de la f\u00edsica te\u00f3rica que no afect\u00f3 a todos, ni mucho menos, pero ciertamente me afect\u00f3 a m\u00ed: la que dec\u00eda que las interacciones fuertes [eran] demasiado complicadas para la mente humana<\/em>\u201d.<\/p>\n

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Este es el acelerador de part\u00edculas Fermilab y el otro (m\u00e1s potente) es el LHC. Ambos trabajan para mejorar el Modelo Est\u00e1ndar y completar, o, sustituir par\u00e1metros aleatorios por aquellos nuevos que puedan ser descubiertos en estos ingenios del hombre. Por el hombre el Bos\u00f3n de Higgs<\/a>.<\/p>\n

Las caracter\u00edsticas m\u00e1s interesantes del Modelo Est\u00e1ndar es que est\u00e1 basado en la simetr\u00eda; podemos ver su se\u00f1al inequ\u00edvoca dentro de cada una de estas interacciones. Los quarks<\/a> y los leptones<\/a> no son aleatorios, sino que se presentan en pautas definidas en el Modelo. Este modelo de la f\u00edsica que explica las fuerzas que interaccionan con las part\u00edculas creadoras de materia, no incluye la fuerza de la gravedad. El Modelo Est\u00e1ndar es pr\u00e1ctico y ha sido y es una poderosa herramienta para todos los f\u00edsicos, sin embargo, al no incluir la gravedad, es incompleta. Cuando se intenta unir el Modelo Est\u00e1ndar con la teor\u00eda de Einstein<\/a>, la teor\u00eda resultante da respuestas absurdas.<\/p>\n

Este modelo es feo y complicado:<\/p>\n