Interaiciones fundamentales

En física de partícules, denominar fuercia fundamental a caúna de les clases d'interaccionesLos términos "fuercia" y "interacción" utilizar en forma intercambiable. ente les partícules subatómiques, a saber:En plural nel orixinal.
 Fuercies nucleares 
 Fuercies electromagnétiques
 Fuercies débiles (Interacciones d'escayencia) 
 Fuercies de gravedá Les 
primeres inclúin a les fuercies que caltienen a los nucleos atómicos xuníos, la interacción de los nucleones colos mesones pi y a la producción de partícules estrañes. Polo xeneral toma les interacciones ente hadrones.

Les fuercies electromagnétiques son llargamente conocíes.

Les fuercies débiles son responsables de la desintegración beta, decaimiento pi mu, decaimiento mu electrón.

Les fuercies de gravedá son tan débiles a escales nucleares que son despreciables nos esperimentos actuales.

Les teoríes de campu gauge espliquen tanto a les partícules fundamentales como les sos interacciones. Les primeres, esplicaes como campos cuánticos relativistes, son representaciones de ciertu operadores de carga que se correspuenden cola carga gravitacional, spin, sabor, color, carga llétrica y demás; ente que les fuercies fundamentales son les fuercies d'atraición y repulsión ente estes cargues.

Per otru llau, d'alcuerdu a la teoría xeneral de la relatividá, les interacciones son debíes a la interacción de la enerxía cola topoloxía del espaciu-tiempu. Hasta'l momentu, tantu la descripción de la gravedá como un campu gauge como la esplicación de les interacciones como topoloxíes fueron infructuoses. 

Casi tola historia de la física moderna centróse na unificación d'estes interacciones y hasta agora la interacción débil y la electromagnética pudiéronse unificar na interacción electrodébil. Sicasí, la unificación de la fuerte cola electrodébil ye'l motivu de tola teoría de la gran unificación. Y finalmente, la teoría del tou arreyaría esta interacción unificada cola gravedá.

La comunidá científica prefier el nome d'interacciones fundamentales al de fuercies por cuenta de que con esi términu pueden referise tanto a les fuercies como a les escayencies qu'afecten a una partícula dada.

+ Los cuatro interacciones fundamentales Propiedá/InteracciónGravitatoriaDébilElectromagnéticaFuerte (Electrodébil)FundamentalResidualActúa sobre:Masa - EnerxíaSaborCarga llétricaCarga de colorNucleos atómicosPartícules que la esperimenten:ToesQuarks, leptonescon carga llétrica |
align="center" |Quarks, GluonesHadronesPartícules mediadores:NengunaGravitón (conxeturáu)W+ W− Z⁰γ (fotones)GluonesMesonesMagnitú (a la escala de los quarks):10-4110-411060Non aplicable a los quarksMagnitú (a la escala de los protones):10-3610-71Non aplicable a los hadrones10²

 Historia 


La historia de la física foi acompañada de la idea d'unificación, d'atopar un conxuntu de lleis simples, describan l'universu. Galileo fixo una completa descripción de los efeutos de la gravedá na Tierra y Kepler describió per primer vegada'l movimientu planetariu. Pa esi momentu creíase que dambos fenómenos yeren distantes hasta que Isaac Newton nel so Principia de 1678 describir sol mesmu conceutu, la fuercia gravitatoria.

Per otru llau, antes del sieglu XIX, dellos científicos como Gray, Priestley, Coulomb y Volta habíen yá descritu casi na so totalidá'l fenómenu llétricu. En 1820, Ørsted foi'l primeru n'afayar perturbaciones magnétiques cercanes a corrientes llétriques. A partir d'esti descubrimientu los esperimentos nun cesaron hasta que finalmente Maxwell en 1861 foi'l primeru en derivar una ecuación d'onda electromagnética, quedando unificaos estos otros dos fenómenos nel electromagnetismu.

Col desenvolvimientu de la física nuclear afayáronse dos tipos más de fuercies a les que nun seles podía incluyir nes dos yá esistentes, la fuercia nuclear fuerte y la fuercia nuclear débil. Col posterior desenvolvimientu del modelu estándar atopar a les partícules portadores de diches fuercies, los bosones. Los científicos prefieren el términu d'interacción al de fuercia por cuenta de que piénsase nes fuercies como interacciones ente bosones, amás de que la desintegración beta ye causada por bosones W y Z de la interacción débil.

Hasta qu'en 1960, Glashow, Salam y Weinberg postularon que la fuercia nuclear débil podía unificase a la electromagnética nuna sola interacción electrodébil. Estos dos interacciones a baxes enerxíes paecen dos distintos tipos d'interacciones pero a temperatures tan altes como les del big bang éstes correspuenden a una sola.

Tocantes a la interacción fuerte, ésta y la electrodébil coesisten nel modelu estándar ensin problemes pero espérase que los trés interacciones cuántiques puedan unificase nuna interacción electronuclear. Finalmente créese qu'una teoría del toa unificación total tomaría a los cuatro interacciones pero hasta'l momentu nun s'atopó una teoría contundente.

 Interacciones 

 Interacción gravitatoria 

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Ye la más conocida de les interacciones, (y coles mesmes la que plantega mayores problemes teóricos), una y bones el modelu estándar nun da cuenta d'elles, ye bien débil y afecta a toles partícules, ya inclusive a les ensin masa como'l fotón por cuenta de que a grandes distancies, pol so efeutu acumulativu cola masa, tien mayor efeutu que les demás. Xunto al electromagnetismu, son les interacciones qu'actúen a grandes distancies y contrariamente al electromagnetismu, namái tien calter curiosu. A distancies atómiques, y en comparanza col restu d'interacciones ye la más débil de toes.

La interacción gravitatoria fai que cualquier tipu de materia provisto d'enerxía interaccione ente sigo. Pa formes de materia ordinario que'l so tensor enerxía-impulso satisfai ciertes condiciones de positividad, va tener un calter curiosu. La teoría de la relatividá xeneral estudia'l comportamientu d'esta interacción a escala planetaria y supragaláutica describiéndola como una Combadura del espaciu-tiempu. N'otres pallabres, la interacción gravitatoria ye una manifestación de la deformación que sufre'l espaciu-tiempu pola presencia de grandes mases. La teoría newtoniana de la gravitación ye un aproximamientu non relativista a la interacción gravitatoria. 

Según la hipótesis del modelu estándar, la interacción gravitatoria, gravitación o fuercia de la gravedá, ye tresmitida pol gravitón. Cabo indicar que la teoría de la gravitación, na so formulación actual, nun ye una interacción que seya bien consistente cola descripción avezada de la física de partícules. Sicasí, por cuenta de que la gravitación ye namái perceptible en distancies bien percima del radiu atómicu esto dexa na práutica usar dambes teoríes simultáneamente ensin atopar conflictu, na mayoría de situaciones práutiques.

 Interacción electromagnética 

miniaturadeimagen|Diagrama de Feynman de la interacción ente'l campu electrón y el campu electromagnético. Ye generalizable a otres partícules cargaes como los quarks
L'electromagnetismu ye la interacción qu'actúa ente partícules con carga llétrica. Esti fenómenu inclúi a encomalo electrostática, qu'actúa ente cargues en reposu, y l'efeutu combináu de les fuercies llétrica y magnética qu'actúen ente cargues que se mueven una al respective de la otra. 

El campu electromagnético tamién tien un algame infinitu y como ye muncho más fuerte que la gravedá describe casi tolos fenómenos de la nuesa esperiencia cotidiana. Estos van dende'l rayo láser y la radio, a la estructura atómica y a fenómenos tales como la resfregón y el arcu iris. 

Los fenómenos llétricu y magnéticu fueron reparaos dende l'antigüedá, pero foi a partir de 1800 cuando los científicos afayaron que la lletricidá y el magnetismu son dos aspeutos fundamentales de la mesma interacción. En 1864, les ecuaciones de Maxwell unificara rigorosamente dambos fenómenos. En 1905, la teoría d'Einstein de la relatividá especial resolvió la cuestión de la constancia de la velocidá de la lluz. Tamién Einstein esplicó'l efeutu fotoeléctricu al teorizar que la lluz tresmitíase tamién en forma de cuantos, qu'agora llamamos fotones. A partir de 1927, Paul Dirac unifica la mecánica cuántica cola teoría relativista del electromagnetismu, la teoría de la electrodinámica cuántica, que se completó na década de 1940.

 Interacción nuclear fuerte 

La interacción fuerte, tamién conocida como interacción nuclear fuerte, ye la interacción que dexa xunise a los quarks pa formar hadrones. La interacción electromagnética dar ente partícules cargaes llétricamente, equí les partícules tamién tienen carga, la carga de color. A pesar de la so fuerte intensidá, el so efeutu namái s'aprecia a distancies bien curties del orde del radiu atómicu. Según el modelu estándar, la partícula mediadora d'esta fuercia ye'l gluón. La teoría que describe a esta interacción ye la cromodinámica cuántica (QCD) y foi propuesta por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross na década de 1980.

Como resultancia colateral de la interacción ente quarks, esiste una manifestación de la fuercia nuclear fuerte, actuando dientro del nucleu atómicu ente los protones y neutrones; Por cuenta de la carga positiva de los protones, por que éstos atópense estables nel nucleu tenía d'esistir una fuercia más fuerte que la electromagnética pa retenelos. Agora sabemos que la verdadera causa de que los protones y neutrones nun se desestabilicen ye la llamada interacción fuerte residual. Esta interacción ente nucleones (protones y neutrones) produzse al traviés de pareyes de quark-antiquark en forma de piones.

 Interacción nuclear débil 

La interacción débil, tamién conocida como interacción nuclear débil, acoplar a un tipu de carga llamada sabor, que la tener los quarks y los leptones. Esta interacción ye la causante de los cambeos de sabor nestes partícules, n'otres pallabres ye la responsable de que los quarks y leptones decaigan en partícules más llixeres, amás ye la que produz desintegraciones beta. La teoría de Glashow-Weinberg-Salam estudia la interacción débil y la electrodinámica cuántica de manera unificada no que se llama modelu electrodébil.

Según el modelu estándar, la interacción débil ye mediada polos bosones W y Z que son partícules bien masives. La so intensidá ye menor que la intensidá de la electromagnética y el so algame ye menor que'l de la interacción fuerte. Al igual que la interacción fuerte y la gravitatoria ye esta una interacción namái curiosa.

 Tabla comparativa 
 Interacción Teoría descriptivaMediadores Fuercia relativoComportamientu cola distancia (r) Algame (m) Fuerte Cromodinámica cuántica (QCD) gluones 1038  10-15 Electromagnética Electrodinámica cuántica (QED) fotones 1036   Débil Teoría electrodébil bosones W y Z 1025  10-18 Gravitatoria Gravedá cuántica gravitones (hipotéticos) 1  
La teoría cuántica de campos ye'l marcu xeneral dientro del cual inscríbense la cromodinámica cuántica, la teoría electrodébil y la electrodinámica cuántica. Per otra parte la "gravedá cuántica" anguaño nun consiste nun marcu xeneral únicu sinón un conxuntu de propuestes que traten d'unificar la teoría cuántica de campos y la relatividá xeneral.

 Interacciones nel modelu estándar 

Les interacciones electromagnética, fuerte y débil estudiar nun marcu común de teoríes gauge cuántiques llamáu modelu estándar. L'oxetivu de la física teórica ye llegar a describir los cuatro interacciones como aspeutos d'una única fuercia. El problema surde al cuantizar la gravedá, que resulta ser una teoría non renormalizable (ver Renormalización). Esta anomalía íguase teóricamente en modelos con más dimensiones espaciales, como les teoríes de cuerdes, anque nun se da por fechu la validez d'estes teoría yá que nun pudimos aportar esperimentalmente a comprobales.

Según el modelu estándar de la física de partícules, la interacción electromagnética y la interacción nuclear débil son manifestaciones a enerxíes ordinaries d'una única interacción, la interacción electrodébil. El procesu pol cual esta única fuercia dixebrar en dos distintes denominar rotura de simetría electrodébil. 

La siguiente tabla ayúdanos a ver lo que'l modelu estándar indica sobre les interacciones fundamentales:
 Interacción Gravitatoria Electromagnética Débil Fuerte Remanar masa-enerxía carga llétrica carga de sabor carga de colortoes partícules con carga |
leptones y quarks quarks y gluones Partícules mediadores gravitón  fotón bosones W y Z gluón Intensidá pa dos quarks si tán a 10-18 m 10-41 1 0.8 25 Intensidá pa dos quarks si tán a 3 x 10-17 m 10-41 1 10-4 60 Intensidá pa dos protones nel nucleu 10-36 1 10-7 non aplicable para hadrones

 Nueves hipótesis 

Observaciones recién amuesen que l'Universu paez tar espandiéndose con una tasa d'aceleración. 
La manera más popular d'esplicala na cosmoloxía física ye por aciu la hipótesis de la enerxía escura. Esta sería una forma hipotética d'enerxía que trescalaría tol espaciu, y produciría una presión negativa y que tendería a amontar la tasa d'espansión del Universu, resultando nuna fuercia gravitacional repulsiva. Nel modelu estándar de la cosmoloxía, la enerxía escura anguaño apurre casi trés cuartes partes de la masa-enerxía total del Universu. Formalmente entá nun ta comprobada como una fuercia fundamental más, sicasí gocia de relativa popularidá na comunidá científica.

 Ver tamién 
 Fuercia
 Modelu estándar
 Gravitón
 Fotón
 Bosón
 Enerxía escura
 Teoría de cuerdes
 Superfuerza

 Notes 

 Referencies 

 Bibliografía 
Xeneral:
 Paul Davies (1986) The Forces of Nature, 2nd ed. Cambridge Univ. Press.
 Richard Feynman (1967) The Character of Physical Law. MIT Press. ISBN 0-262-56003-8
 Schumm, Bruce A. (2004) Deep Down Things. Johns Hopkins University Press. While all interactions are discussed, especially thorough on the weak.
 Steven Weinberg (1993) The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. Basic Books. ISBN 0-465-02437-8
 Steven Weinberg (1994) Dreams of a Final Theory. Vintage Books. ISBN 0-679-74408-8
Monografíes:
 Padmanabhan, T. (1998) After The First Three Minutes: The Story of Our Universe. Cambridge Univ. Press. ISBN 0-521-62972-1
 Perkins, Donald H. (2000) Introduction to High Energy Physics. Cambridge Univ. Press. ISBN 0-521-62196-8

 Enllaces esternos 
 Les Fuercies Fundamentales del Universu
 Tabla de les interacciones
 Videos sobre les interacciones fundamentales

Categoría:Teoría cuántica de campos