Interacciones fundamentales
En física, interacciones fundamentales se denominan a las cuatro interacciones fundamentales existentes en nuestro universo. Según el modelo estándar, las partículas que interaccionan con las partículas materiales, fermiones, son los bosones.
Existen cuatro tipos de interacciones fundamentales: interacción nuclear fuerte, interacción nuclear débil, interacción electromagnética e interacción gravitatoria. Casi toda la historia de la física moderna se ha centrado en la unificación de estas interacciones, hasta ahora tanto la interacción débil y la electromagnética se han podido unificar en el interacción electrodébil.[1] En cambio, la unificación de la fuerza fuerte con esta electrodébil es el motivo de toda la teoría de la gran unificación. Y finalmente, la teoría del todo involucraría esta interacción electronuclear con la gravedad.
La comunidad científica prefiere el nombre de interacciones fundamentales al de fuerzas debido a que con ese término se pueden referir tanto a las fuerzas como a los decaemientos que afectan a una partícula dada.[2]
Historia
La historia de la física ha ido acompañada de la idea de unificación, de encontrar un conjunto de leyes simples que describan el universo. Galileo hizo una completa descripción de los efectos de la gravedad en la tierra y Kepler describió por primera vez el movimiento planetario. Para ese momento se creía que ambos fenómenos eran distantes hasta que Isaac Newton en su Principia de 1668 los describió bajo el mismo concepto, la fuerza gravitatoria.
Por otro lado, antes del siglo XIX, varios científicos como Stephen Gray, Joseph Priestley, Charles Coulomb y Alessandro Volta habían ya descrito casi en su totalidad el fenómeno eléctrico. En 1820, Hans Christian Ørsted fue el primero en descubrir perturbaciones magnéticas cercanas a corrientes eléctricas. A partir de este descubrimiento los experimentos no cesaron hasta que finalmente James Clerk Maxwell en 1861 fue el primero en derivar una ecuación de onda electromagnética,[3] quedando unificados estos otros dos fenómenos en el electromagnetismo.
Con el desarrollo de la mecánica cuántica se descubrieron dos tipos más de fuerzas a las que no se las podía incluir en las dos ya existentes, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Con el posterior desarrollo del modelo estándar se encontró a las partículas portadoras de dichas fuerzas, los bosones. Los científicos prefieren el término de interacción al de fuerza debido a que se piensa en las fuerzas como interacciones entre bosones, además que la desintegración beta es causada por bosones W y Z de la interacción débil y ésta no es debido a la presencia de los bosones.[2]
Hasta que en 1960, Glashow, Salam y Weinberg postularon que la fuerza nuclear débil podía unificarse a la electromagnética en una sola interacción electrodébil. Estas dos interacciones a bajas energías parecen dos diferentes tipos de interacciones pero a temperaturas tan altas como las del big bang éstas corresponden a una sola.
En cuanto a la interacción fuerte, ésta y la electrodébil coexisten en el modelo estándar sin problemas pero se espera que las tres interacciones cuánticas puedan unificarse en una interacción electronuclear. Finalmente se cree que una unificación total que abarcaría a todas las cuatro interacciones pero hasta el momento no se a encontrado una teoría contundente.
Interacciones
Interacción gravitatoria
Es la más conocida de las interacciones debido a que a grandes distancias, como las observadas habitualmente, tiene mayores impactos que las demás. Junto al electromagnetismo, son las interacciones que actúan a grandes distancias y contraria a esta, tiene solo carácter de atracción. En comparación con el resto de fuerzas es la mas débil.
Ésta hace que la energía interaccione entre sí y la masa al ser la representación más intuitiva de energía, actúa sobre ella. La teoría de la relatividad general estudia esta interacción y la describe como una deformación de la geometría del espacio-tiempo, en otras palabras a la curvatura que sufre el espacio-tiempo por la presencia de grandes masas.
Según hipótesis del modelo estándar, la interacción gravitatoria, gravitación o fuerza de la gravedad, es transmitida por el gravitón. Cabe indicar que la gravitación no es una interacción que sea muy consistente con la física de partículas ya que su accionar se observa en distancias muy por encima del radio atómico.
Interacción electromagnética
El electromagnetismo es la interacción que actúa entre partículas con carga eléctrica. Este fenómeno incluye a la fuerza electrostática, que actúa entre cargas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas eléctrica y magnética que actúan entre cargas que se mueven una respecto a la otra.
El electromagnetismo también tiene un alcance infinito y como es mucho más fuerte que la gravedad describe casi todos los fenómenos de nuestra experiencia cotidiana. Estos van desde el rayo láser y la radio, a la estructura atómica y a fenómenos tales como la fricción y el arco iris.
Los fenómenos eléctricos y magnéticos han sido observados desde la antigüedad, pero fue a partir de 1800 que los científicos descubrieron que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos fundamentales de la misma interacción. En 1864, las ecuaciones de Maxwell había unificado rigurosamente ambos fenómenos. En 1905, la teoría de Einstein de la relatividad especial resolvió la cuestión de la constancia de la velocidad de la luz. También Einstein explicó el efecto fotoeléctrico al teorizar que la luz se transmitía también en forma de cuantos, que ahora llamamos fotones. A partir de 1927, Paul Dirac unifica la mecánica cuántica con la teoría relativista del electromagnetismo, la teoría de la electrodinámica cuántica, que se completó en la década de 1940.
Interacción nuclear fuerte
La interacción fuerte, también conocida como interacción nuclear fuerte, es la interacción que permite a unirse a los quarks para formar hadrones. La interacción electromagnética se da entre partículas cargadas eléctricamente, aquí las partículas también tienen carga, la carga de color. Su accionar a pesar de ser el más fuerte solo se lo aprecia a muy cortas distancias tales como el radio atómico. Según el modelo estándar, la partícula mediadora de esta fuerza es el gluón.[4] La teoría que describe a esta interacción es la cromodinámica cuántica (QCD) y fue propuesta por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross en la década de 1980.
Previo al desarrollo de ésta teoría, se creía que la interacción fuerte era la causante de mantener dentro del núcleo atómico a los protones y neutrones. Debido a la carga positiva de los protones, para que éstos se encuentren estables en el núcleo debía existir una fuerza mas fuerte que la electromagnética para retenerlos. Ahora sabemos que la verdadera causa de que los protones y neutrones no se desestabilicen es la llamada interacción fuerte residual.[5]
Interacción nuclear débil
La interacción débil, también conocida como interacción nuclear débil, se acopla a un tipo de carga llamada sabor, que la poseen los quarks y los leptones. Esta interacción es la causante de los cambios de sabor en estas partículas, en otras palabras es la responsable que de quarks y leptones decaigan en partículas mas livianas, además es la que produce desintegraciones beta.[6] La teoría de Glashow-Weinberg-Salam estudia la interacción débil y la electrodinámica cuántica de manera unificada en lo que se llama Modelo electrodébil.
Según el modelo estándar, la interacción débil es mediada por los bosones W y Z que son partículas muy masivas. Su intensidad es menor que la intensidad de la electromagnética y su alcance es menor que el de la interacción fuerte. Al igual que la interacción fuerte y la gravitatoria es esta una interacción únicamente atractiva.
Tabla comparativa
| Interacción[7] | Teoría descriptiva | Mediadores | Fuerza relativa | Conducta con la distancia (r) | Rango (m) |
|---|---|---|---|---|---|
| Fuerte | Cromodinámica cuántica (QCD) | gluones | 1038 | 10-15 | |
| Electromagnética | Electrodinámica cuántica (QED) | fotones | 1036 | infinita | |
| Débil | Teoría electrodébil | bosones W y Z | 1025 | 10-18 | |
| Gravitatoria | Relatividad general | gravitones (hipotéticos) | 1 | infinito |
Interacciones en el modelo estándar
Las interacciones electromagnética, fuerte y débil se estudian en un marco común de teorías gauge cuánticas llamado Modelo Estándar. El objetivo de la física teórica es llegar a describir las cuatro interacciones como aspectos de una única fuerza. El problema surge al cuantizar la gravedad, que resulta ser una teoría no renormalizable.[cita requerida] Estas patologías se arreglan teóricamente en modelos con más dimensiones espaciales, como las teorías de cuerdas, aunque no se da por hecho la validez de estas teoría dado que no hemos podido acceder experimentalmente a comprobarlas.
Según el modelo estándar de física de partículas, la interacción electromagnética y la interacción nuclear débil son manifestaciones a energías ordinarias de una única interacción, la interacción electrodébil. El proceso por el cual esta única fuerza se separa en dos distintas se denomina ruptura de simetría electrodébil.
La siguiente tabla nos ayuda a ver lo que el modelo estándar indica sobre las interacciones fundamentales:[8]
| Interacción | Gravitatoria | Electromagnética | Débil | Fuerte |
|---|---|---|---|---|
| Accionar | masa-energía | carga eléctrica | carga de sabor | carga de color |
| Partículas que las sienten | todas | partículas con carga | leptones y quarks | quarks y gluones |
| Partículas mediadoras | gravitón | fotón | bosones W y Z | gluón |
| Intensidad para dos quarks si están a 10-18 m | 10-41 | 1 | 0.8 | 25 |
| Intensidad para dos quarks si están a 3 x 10-17 m | 10-41 | 1 | 10-4 | 60 |
| Intensidad para dos protones en el núcleo | 10-36 | 1 | 10-7 | no aplicable para hadrones |
Nuevas hipótesis
Observaciones recientes muestran que el Universo parece estar expandiéndose con una tasa de aceleración. La manera más popular de explicarla en la cosmología física es mediante la hipótesis de la energía oscura. Esta sería una forma hipotética de energía que impregnaría todo el espacio, y produciría una presión negativa y que tendería a incrementar la tasa de expansión del Universo, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva.[9] En el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura actualmente aporta casi tres cuartas partes de la masa-energía total del Universo. Formalmente aún no está comprobada como una fuerza fundamental más, sin embargo goza de relativa popularidad en la comunidad científica.
Referencias
- ↑ «La interacción débil». Consultado el 07/01/2008.
- ↑ a b «Las cuatro interacciones». Consultado el 07/01/2008.
- ↑ «On Physical Lines of Force» (en inglés). Consultado el 08/01/2008.
- ↑ «Interacción fuerte». Consultado el 09/01/2008.
- ↑ «Interacción fuerte residual». Consultado el 09/01/2008.
- ↑ «interacción débil». Consultado el 09/01/2008.
- ↑ «fuerzas fundamentales». Consultado el 10/01/2008.
- ↑ «Tabla de interacciones». Consultado el 10/01/2008.
- ↑ P. J. E. Peebles y Bharat Ratra (2003). «La constante cosmológica y la energía oscura». Reviews of Modern Physics 75: 559–606.