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Breve descripción de las cuatro fuerzas fundamentales y como estas se unen para dar espacio a la teoría de la unificación de la física o la llamada teoría de cuerdas
Tipo: Monografías, Ensayos
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Hace casi cuatro siglos, la teoría de la gravedad de Newton revolucionó nuestra comprensión de la naturaleza. Newton encontró una forma de describir exactamente la razón por la que todos los objetos sienten una inconfundible atracción hacia la Tierra. Nuestro planeta jala a todas las cosas y seres que habitan en él con una fuerza específica, por el hecho de ser mucho más grande (y masivo). Su idea, aunque sencilla en apariencia, tiene profundas consecuencias. Con su teoría, Newton explicó también que la atracción que la Tierra ejerce sobre una manzana para hacerla caer es la misma que provoca que los planetas giren alrededor del Sol y la Luna alrededor de nuestro planeta, y es el motivo de las mareas y de la existencia de las galaxias. De un solo golpe, Newton unificó las leyes terrestres y las del cosmos, el cielo con la Tierra. Hoy parece un logro pequeño, pero era la primera vez en la historia de la humanidad que alguien concluía que dos fenómenos, aparentemente muy distintos, tienen un único origen. Newton, uno de los padres de la Física como la conocemos, hizo así la primera contribución a la comprensión unificada del universo pero no sería la última.
El fenómeno de la electricidad era conocido desde la antigua Grecia y su nombre mismo es de origen griego. Electricidad proviene de la palabra griega electrón, es decir, “ámbar”, ya que era conocida la propiedad del ámbar de generar electricidad estática al ser frotado y atraer pequeños trocitos de tela o papel y el concepto de fuerza eléctrica tuvo su origen en experimentos muy sencillos como la frotación de dos cuerpos entre sí. Cuando se frota una varilla de vidrio o de ámbar con un trapo o una piel, aquéllas atraen pequeños trocitos de papel
Charles F. Dufay (1698-1739), químico y administrador del Jardín del Rey, comprendió las distintas propiedades de la electricidad de distinto signo y supuso que existían dos clases de electricidad: la producida frotando sustancias vítreas como el cristal o la mica, y la producida por el ámbar frotado, el lacre, la vulcanita y otras sustancias resinosas. Asignó a estas dos clases de electricidad unos fluidos eléctricos, uno denominado “vítreo” y el otro conocido como “resinoso”. Se suponía que los cuerpos eléctricamente neutros contenían cantidades equilibradas de ambos fluidos eléctricos, mientras que los cuerpos cargados eléctricamente tenían un exceso de electricidad resinosa o vítrea. En 1734 Dufay estableció que “la característica de ambas electricidades es que un cuerpo cargado con electricidad vítrea repele a todos los demás cargados con la misma electricidad y, por el contrario, atrae a los que poseen electricidad resinosa”
Como sucede con la electricidad, el fenómeno del magnetismo era conocido desde la antigua Grecia y también su nombre es de origen griego. La palabra magnetismo viene de la palabra “magnes”, imán en griego, que a su vez viene de Magnesia, región del Asia Menor en la que se encuentran yacimientos del mineral magnetita (piedra imán), que tiene la propiedad de atraer objetos de hierro asá como conferir al hierro sus propiedades magnéticas. Se observó que el efecto de atraer pequeños trocitos de hierro era más pronunciado en ciertas zonas del imán llamadas polos magnéticos.
William Gilbert (1544-1603) contemporáneo de Kepler y Galileo, llevó a cabo cuidadosos estudios de las interacciones magnéticas y publicó sus resultados en un libro, De Magnete - la primera descripción exhaustiva del magnetismo, publicada en 1600.. En sus estudios Gilbert concluyó que la Tierra puede considerarse como un imán gigante con sus polos situados cerca de los polos norte y sur geográficos. El magnetismo era uno de los ejemplos preferidos de los
En la antigua Grecia se consideraba a la luz como una emisión de los cuerpos luminosos, aunque había cierta confusión sobre si el rayo de luz partía del ojo o del cuerpo iluminado.
Con los autores modernos se divide la consideración de la naturaleza de la luz en dos corrientes: ondulatoria y corpuscular. En la defensa de la naturaleza ondulatoria de la luz destacan figuras como Christian Huygens (1629-1695,) y Robert Hooke (1635-1703) que consideran la luz como un fenómeno ondulatorio semejante al sonido. Todas las ondas conocidas hasta entonces eran ondas mecánicas y necesitaban, por tanto, de un medio material para su propagación., como la luz atraviesa el vacío, el medio en el que se propagan las ondas luminosas no puede ser el aire, como en el caso del sonido, sino que se postuló un medio como un fluido muy sutil llamado éter luminoso, cuyas vibraciones constituyen la luz. El éter se remonta a las ideas griegas y medievales sobre la naturaleza de los cuerpos celestes Christian Huygens (1629-1695). Robert Hooke (1635-1703). En la defensa de la naturaleza corpuscular de la luz destaca fundamentalmente Isaac Newton (1643-1727), hijo de un próspero pequeño terrateniente de La unificación de luz, electricidad y magnetismo: la “síntesis electromagnética” de Maxwell
Newton estudió en la escuela primaria local antes de ingresar en el Trinity College de Cambridge. Era docente del Trinity cuando escribió los dos libros que le dieron fama: los Principia, publicados en 1687, y el Opticks , que vio la luz finalmente en 1704, después de su nombramiento como presidente de la Royal Society, tras la muerte de Robert Hooke. En su libro Opticks empieza exponiendo la teoría de los colores que había elaborado varias décadas antes e introduce a continuación diversas dudas en las que incluye su parecer sobre diversas cuestiones de filosofía natural, como la naturaleza de la luz, las causas de los fenómenos eléctricos y magnéticos o la posible existencia de un éter universal que llenara el espacio. Newton considera
Oersted se interesó desde el primer momento por el “galvanismo” y su relación con la química y ya en el año 1801 empezó a realizar experimentos con una pila voltaica. Su contribución más importante al electromagnetismo fue su descubrimiento en 1820 de que el paso de una corriente eléctrica desviaba una aguja imantada situada en su cercanía. Había descubierto que una corriente eléctrica produce efectos magnéticos. La inspiración original de sus experimentos fue la convicción metafísica de la unidad de todas las fuerza de la Naturaleza, que
él deducía de los “filósofos de la Naturaleza” alemanes, en particular de Friedrich Schelling. Partiendo de esta perspectiva, Oersted estaba convencido de que en la naturaleza debía existir un vínculo entre electricidad y La unificación de luz, electricidad y magnetismo: la “síntesis electromagnética” de Maxwell del magnetismo; sólo era cuestión de encontrarlo. Figura Hans Christian Oersted (1777-1851). Su famoso experimento es muy sencillo. Situó una aguja imantada libremente de modo que ´esta se orientaba en la dirección norte-sur. A continuación colocó un cable eléctrico sobre la aguja y, por tanto, en la misma dirección. Este cable lo conectó a una pila eléctrica y al cerrar el circuito comprobó que la aguja de la brújula se desviaba de su dirección original situándose perpendicular al cable, es decir, en la dirección este-oeste. Si la corriente eléctrica era capaz de hacer girar la aguja de la brújula, Oersted concluyó que dicha corriente eléctrica produce efectos magnéticos, que la electricidad y el magnetismo no son fenómenos independientes, sino que están relacionados y acuñó el término electromagnetismo para designar a la parte de la física que englobaría desde entonces a ambos fenómeno. Los resultados aparecieron publicados en un breve artículo, en latín, que envió a las principales revistas científicas europeas y que está fechado el 21 de julio de 1820.
El caso de Faraday no es frecuente en la historia de la física: su formación matemática ero muy elemental; sin embargo, las leyes de la electricidad y el magnetismo son debidas mucho más a los descubrimientos experimentales de Faraday que a los de cualquier otra persona. El descubrió la inducción electromagnética, la cual le llevó a la invención de la dinamo, precursora del generador eléctrico, explicó la electrolisis en términos de fuerzas eléctricas e introdujo conceptos, como las nociones de “líneas de fuerza” y de “campo”, fundamentales en la
En 1865 dos libros, uno de ellos de carácter general, pero con numerosas ideas novedosas y originales, Teoría del Calor, y el otro su gran obra, publicada en 1873, Tratado de Electricidad y Magnetismo , texto cumbre de la física del siglo XIX y comparable al libro paradigmático de Newton titulado Principios Matemáticos de Filosofía Natural y publicado casi dos siglos antes, en 1687. En esta obra Maxwell consigue unificar, bajo un mismo paradigma, todos los fenómenos conocidos hasta el momento sobre electricidad y magnetismo. Sus ecuaciones se presentan de un modo elegante y brillante la unidad que subyace en todos estos fenómenos, a la vez que deduce consecuencias sorprendentes como la existencia de ondas electromagnéticas y que la luz es un tipo de estas ondas
El Tratado de Maxwell consiguió establecer los principios básicos, eternos, inviolables y absolutos de la ciencia electromagnética y ésta pasó desde entonces a formar parte del conjunto de las ciencias adultas. El trabajo de los científicos debía consistir en deducir el máximo número
de consecuencias posible y a este se dedicaron todo un ejército de “maxwellianos”. Asimismo, el Tratado de Electricidad y Magnetismo.
Son dos las grandes aportaciones a la física realizadas por Maxwell y que pueden englobarse en dos campos: el electromagnetismo y la física estadística. Por lo que se refiere al electromagnetismo, realizó la formulación matemática de las ideas de Faraday, al que admiraba profundamente. Para ello aceptó las ideas intuitivas de Faraday sobre la existencia de campos eléctricos y magnéticos y su concepto de líneas de fuerza, abandonando definitivamente la doctrina clásica mantenida hasta entonces de las fuerzas eléctricas y magnéticas como acciones a distancia. Maxwell propuso veinte ecuaciones que relacionan las variables de los campos eléctricos y magnéticos y que rigen el comportamiento de la interacción electromagnética.
En 1884 Oliver Heaviside (1850-1925), con la ayuda de Williard Gibbs (1839-1903), sintetizó estas ecuaciones en las cuatro ecuaciones de Maxwell tal y como se conocen hoy en día.
otras dos fuerzas nucleares, la fuerza débil es importante ya que hace posible que el Sol y las estrellas produzcan luz y energía.
La fuerza débil causa un tipo de desintegración radiactiva llamada "desintegración beta". Un ejemplo de desintegración beta es la desintegración del neutrón cuando se convierte en 1 protón
La interacción débil afecta a todo leptón con quiralidad zurda y a los quarks. Es la única fuerza que afecta a los neutrinos (excepto por la gravitación, que no se la puede evitar a escalas del laboratorio). La interacción débil es la única en varios aspectos:
-Es la única interacción capaz de cambiar su sabor
-Es la única interacción que viola la paridad de la simetría P (ya que sólo actúa sobre electrones, muones y tauones de izquierdas). Esta es también la única que viola la simetría CP.
-Es la que media entre los bosones de gauge pesados. Esta característica inusual es explicada en el modelo estándar por el mecanismo de Higgs.
Debido a la gran masa de las partículas que transportan la interacción débil (cerca de los 90 GeV/c2), su vida media está limitada a cerca de 3×10-27 segundos, por el principio de incertidumbre. Incluso a la velocidad de la luz este límite efectivo del rango de la interacción débil de 10-18 metros, cerca de mil veces más pequeña que el diámetro del núcleo atómico.
Ya que la interacción débil es a muy cortas distancias y muy débil, sus efectos más considerables son debido a otra condición única: su cambio de sabor.
Considere un neutrón (contiene un quark up y dos quark down), aunque el neutrón es más masivo que su "hermano" nucleón (m(neutrón)= 939.5653 MeV, m(protón)=938.27203 MeV),
no puede decaer en un protón (contiene dos quark up y un quark down) sin cambiar el sabor de uno de los quarks down.
La interacción fuerte o el electromagnetismo no pueden cambiar su sabor, por lo que ésto sólo puede ocurrir a través de un decaimiento débil. En este proceso, un quark down de un neutrón se transforma en un quark up emitiendo un bosón W, que luego se rompe en electrones de alta energía y un antineutrino electrónico. Los electrones altamente energéticos son radiación beta, esto es llamado desintegración beta.
Debido a la debilidad de la interacción débil, los decaimientos débiles son muy lentos comparados con los decaimientos fuertes o con los electromagnéticos. Por ejemplo, un decaimiento electromagnético de un pión neutro tiene una vida de unos 10-16 segundos; un decaimiento débil cargado con un pión vive cerca de 10-8 segundos, cien millones de veces más largo. Un neutrón libre vive cerca de 15 minutos, por lo que es la partícula subatómica inestable con la vida media más larga que se conoce hasta ahora.
Hay tres tipos básicos de vértices de la interacción débil (hasta la conjugación de la carga y el cruce simétrico). Dos de ellos consisten en bosones cargados, que son llamados "interacciones de corriente cargada". El tercer tipo es llamado "interacción de corriente neutral".
Un leptón cargado (un electrón o un muón) puede emitir o absorber un bosón W y convertirlo en su correspondiente neutrino.
Un quark down (con carga -1/3) puede emitir o absorber a un bosón W y convertirlo en una superposición de quark up. Al contrario, un quark up puede convertir en una superposición de quarks down. El contenido exacto de la superposición es dado por la matriz CKM, O bien un leptón o un quark puede emitir o absorber un bosón Z.
podía ser rota. Gracias a este descubrimiento ganaron el premio Nobel de Física de 1980. A diferencia de la violación de la paridad, la violación CP tiene efectos muy pequeños.
El modelo estándar de la física de partículas describe la interacción electromagnética y la interacción débil como dos aspectos diferentes de una única interacción electrodébil. Esta teoría fue desarrollada en 1968 por Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg (los bosones W y Z). Todos ellos ganaron el Nobel de Física de 1979 por este trabajo.
Acorde a la teoría electrodébil, a muy altas energías, el universo tiene cuatro bosones de gauge idénticos, sin masa, similares al fotón y a un campo de Higgs escalar. Sin embargo, a bajas energías, la simetría de un campo de Higgs tiene una ruptura espontánea de simetría electrodébil por el mecanismo de Higgs. El rompimiento de la simetría produce tres bosones de Goldstone sin masa que son "comidos" por tres de los fotones, como campos, dándoles su masa. Estos tres campos se convierten en bosones W y Z de la interacción débil, mientras que la cuarta permanece sin masa y es un fotón del electromagnetismo.
Aunque esta teoría tiene un numero de predicciones impresionantes, incluyendo una predicción de la masa de un bosón Z antes de su descubrimiento, el bosón de Higgs por sí mismo nunca ha sido observado. Producir un bosón de Higgs será el mayor logro del LHC que se ha construido en el CERN, en Ginebra.
