Interacciones Fundamentales - Descubriendo la Física
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Interacciones Fundamentales

De Descubriendo la Física

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(En construcción)

Existen cuatro fuerzas o interacciones fundamentales entre las partículas elementales:

1) Las fuerzas electromagnéticas

2) Las fuerzas derivadas de la interacción fuerte

3) Las fuerzas derivadas de la interacción débil

4) Las fuerzas gravitatorias

Todas las fuerzas existentes entre partículas u objetos microscópicos o macroscópicos pueden derivarse de estas cuatro fuerzas fundamentales. El modelo estándar de la física de partículas explica y describe las tres primeras fuerzas, pero no incluye la gravedad. Uno de los grandes temas pendientes en la física es el desarrollo de una teoría que pueda integrar y describir satisfactoriamente las cuatro fuerzas anteriores (teoría del todo)

Contenido

Fuerzas Electromagnéticas

Las fuerzas electromagnéticas son experimentadas por partículas con carga eléctrica. Son las que mantienen los electrones ligados al núcleo atómico y también las que originan las fuerzas existentes entre átomos o moléculas, que no son otra cosa que el resultado de las atracciones eléctricas entre los electrones y núcleos que los componen. Las fuerzas electromagnéticas son por lo tanto responsables de todos los fenómenos químicos y de casi todos los fenómenos cotidianos, con excepción de la gravedad. Determinan, por ejemplo, si una sustancia es sólida, líquida o gaseosa a una cierta presión y temperatura, y si un cierto material es duro o blando. Todos los fenómenos biológicos son también originados en última instancia por fuerzas electromagnéticas. Además, claro está, son responsables de los relámpagos, de las fuerzas entre imanes y de la energía eléctrica que utilizamos diariamente.

Fuerzas "Fuertes"

Las fuerzas derivadas de la interacción fuerte son experimentadas por las partículas elementales con carga de color, siendo pues las responsables del confinamieto de los quarks. Sus efectos "residuales" mantienen unido el núcleo atómico, y originan las grandes energías involucradas en las reacciones y procesos nucleares. No obstante, las fuerzas efectivas derivadas de la interacción fuerte, tal como la existente entre dos neutrones, tiene un alcance muy reducido, del orden de un Fermi (un Fermi equivale a la billonésima parte de un milimetro), por lo que sus efectos sobre los objetos macroscópicos cotidianos es nulo. Tampoco afectan, por esta razón, las fuerzas interatómicas o intermoleculares. Sin embargo, a cortas distancias del orden del Fermi, son más fuertes que la fuerza electromagnética. Y cuando actúan entre quarks no decrecen con la distancia, produciendo el mencionado efecto de confinamiento. Otra característica notable es la llamada libertad asíntótica, la cual implica que los quarks y gluones (las partículas mediadoras de la interacción fuerte) interaccionan débilmente a muy altas energías.

Fuerzas "Débiles"

Las fuerzas derivadas de la interacción débil son responsables de llamado decaimiento beta de los núcleos atómicos, en el que un neutrón se convierte en un protón emitiendo un electrón y un antieutrino electrónico, debido a la conversión de un quark down en un quark up (véase partículas elementales [[1]]). Son las únicas que pueden cambiar el "sabor" de un partícula elemental, y las únicas que violan una simetría fundamental llamada paridad. El alcance de estas fuerzas es muy pequeño, del orden de una milésima de Fermi (es decir, aún mil veces menor que el alcance de la fuerzas nucleares efectivas), debido a que las partículas mediadoras correspondientes (véase partículas elementales [[2]]) son masivas. Su nombre proviene del hecho de que la magnitud característica de estas fuerzas es diez billones de veces menor que la de la interacción fuerte. No obstante, a muy cortas distancias es más fuerte que la fuerza de gravedad.

Modelo Estándar

El modelo estándar de la física de partículas describe estas tres fuerzas en términos de lo que se denomina una teoría cuántica de campo, siendo una teoría consistente con la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad. Combina la teoría electrodébil, que describe en forma conjunta las fuerzas electromagnéticas y débiles, con la denominada cromodinámica cuántica (QCD), que es la teoría de campo de la interacción fuerte. La teoría electrodébil fue desarrollada principalmente por S. Glashow, A. Salam y S. Weinberg (quienes obtuvieron por esto el premio Nobel en Física en 1970), mientras que entre los que contribuyeron al desarrollo de la QCD se destacan D. Gross, D. Politzer y F. Wilczek. que descubrieron la libertad asintótica en QCD a comienzos de 1970, obteniendo por ello el Premio Nobel en Física en 2004.

Fuerzas Gravitatorias

La fuerza de gravedad es ciertamente la más familiar. La fuerza con que la Tierra nos atrae hacia su centro y que sentimos como "peso" es por su puesto la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la Tierra sobre nosotros. En general, es una fuerza siempre atractiva de largo alcance que actúa entre dos cuerpos cualesquiera que tengan masas no nulas. Gobierna el movimiento de los cuerpos celestes tales como planetas, estrellas y galaxias, siendo por ejemplo la responsable de mantener a la Luna en órbita alrededor de la Tierra y a los planetas en órbita alrededor del Sol. Es también la que origina las mareas. Gobierna además la estructura y la formación de los cuerpos celestes, ya que sin ella, la materia no se hubiese agrupado para formar planetas o estrellas.

La fuerza gravitatoria es, sin embargo, la fuerza fundamental más débil, ya que el orden de magnitud de la fuerza gravitatoria entre dos partículas elementales es muchísimo más pequeño que el de cualquier otra fuerza fundamental. Es en realidad tan débil que no tiene ningún efecto medible sobre el movimiento de esas partículas en un núcleo o átomo. Sólo los cuerpos de enorme tamaño (en realidad "descomunal") tienen masa suficiente como para ejercer una fuerza gravitatoria realmente significativa. No obstante, a pesar de esta debilidad, es la fuerza dominante entre objetos macroscópicos, ya que estos son eléctricamente neutros en condiciones normales y las fuerzas electromagnéticas netas entre ellos se anulan. Recordemos que las cargas eléctricas pueden ser positivas o negativas y pueden por lo tanto cancelarse en un objeto macroscópico, mientras que la masa es siempre positiva.

La fuerza gravitatoria es descripta satisfactoriamente por la teoría general de la relatividad de Einstein, aunque para la descripción de la mayoría de los fenómenos cotidianos (con excepción del funcionamiento de un GPS) es suficiente la teoría de la gravitación original de Newton.

Es importante destacar, sin embargo, que la teoría general de la relatividad no es completamente compatible con la mecánica cuántica. Es posible desarrollar una teoría cuántica de la gravitación, basada en el intercambio de partículas mediadoras (véase partículas elementales) denominadas gravitones, que tienen espín 2, la cual se reduce a la teoría general de la relatividad en el "límite clásico". No obstante, esta teoría fracasa a distancias extremadamente cortas, del orden de la llamada distancia de Planck Lp, que equivale a la cien millonésima parte de la billonésima parte del tamaño de un protón!. La distancia de Planck depende de tres constantes fundamentales de la física: La constante de gravitación universal G, la constante de Planck h (que determina los efectos cuánticos) y la velocidad de la luz c (Lp es esencialmente la raíz cúbica de h*G/c^3). Se cree que la noción convencional de espacio colapsa a distancias del orden de Lp. El desarrollo de una teoría cuántica de la gravedad válida a estas distancias tan pequeñas es sin embargo necesario para lograr una descripción consistente del comportamiento de agujeros negros y del origen del universo.


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