Las fuerzas del Universo

Fuerza de gravedad, fuerza electromagnética, fuerza fuerte, fuerza débil

Como resultado de muchos experimentos, se ha construido lo que se llama el "modelo estándar", una teoría notablemente acertada sobre los constituyentes fundamentales de la materia, las partículas, y las fuerzas que las mantienen unidas. Y esa teoría, que fue elaborada durante largos años, ha sido corroborada con muchos de los resultados obtenidos en los aceleradores de partículas. Por ahora, este modelo estándar funciona bastante bien.

La física mejora cuando se observa la naturaleza a escalas cada vez más pequeñas, lo que se realiza con lo que llamamos "aceleradores de partículas".

Estas inmensas máquinas necesitan una enorme cantidad de energía. Esta es la razón por la que se llama "física de altas energías" a la física de partículas.

Estos aceleradores permiten sondear con mayor profundidad la estructura de la materia. Con ellos se ha aprendido mucho acerca de lo que constituye el Universo y acerca de las fuerzas que actúan entre los constituyentes de la materia.

Cern
Acelerador de partículas

Tenemos muchas indicaciones de que el Universo inicialmente tenía un estado muy compacto, denso y caliente, en el que las energías eran enormemente grandes. La física que gobernaba el comportamiento del Universo en su nacimiento, o justo después de éste, era la física de altas energías que todavía no comprendemos muy bien.

Isaac Newton fue tal vez el primero en investigar la fuerza que hacía que los cuerpos cayeran a tierra, la famosa anécdota de la manzana. Desde entonces, se ha avanzado mucho en el conocimiento de las fuerzas que actúan en el mundo material.

Newton
Manzana
órbita planetaria

Esto de las fuerzas es un invento de la mente humana para intentar explicar poco a poco cómo funcionan las cosas. En realidad, no sabemos lo que es la materia ni cómo actúa. El hombre ha ido observando los hechos, intentando inventar fórmulas matemáticas que describan el comportamiento de la materia. Pero, lo que llamamos "leyes" han estado siempre ahí desde el comienzo y no sabemos cuáles son ni por qué son como son.

Los grandes logros cientificos consisten en aproximarse paulatina y parcialmente a un modelo que se parezca a la realidad.

Suponiendo, como por ahora creemos saber, que nuestro Universo empezó con el Big Bang, en los primeros instantes la temperatura tuvo que ser inmensamente elevada, millones de millones de grados, lo cual hacía que en el magma inicial solamente podía haber electrones, neutrinos y otras partículas elementales; pero no había ni protones, ni neutrones, ni átomos, ni moléculas.

Nebulosa

Ese mundo primordial, caótico e informe, estuvo sometido desde el comienzo a ciertas fuerzas físicas, regidas por leyes precisas. Bajo la acción de estas fuerzas, el universo fue evolucionando y estructurándose de forma aleatoria, al azar.

Nunca será demasiado repetir que todo lo que los científicos hacen, es observar el espacio infinito desde la Tierra, que es una partícula microscópica en el Universo. Por lo tanto, siempre habrá que decir: "parece que... ", "es como si...".

En los últimos 500 años, nuestra concepción del mundo ha evolucionado de manera impresionante. ¿Cómo lo hará en los próximos 500 años? Hay que tener esto en cuenta, para no afirmar categóricamente lo que ahora creemos saber.

La evolución de algunas de esas partículas elementales llegó a producir el cerebro humano, dotado de una complejísima red de neuronas que ha realizado el milagro de generar pensamientos y sentimientos.

Gracias al trabajo conjunto de físicos, astrónomos y matemáticos, se ha ido descubriendo la estructura y funcionamiento de la materia. Los matemáticos encontraron modelos matemáticos que servían para describir la realidad física observada por físicos y astrónomos.

Una vez adoptada una estructura matemática que sirva para describir determinados fenómenos físicos, los físicos pueden predecir otras consecuencias de los distintos valores que se puedan dar a estas fórmulas. Si las predicciones se cumplen, eso reafirma el valor de las fórmulas empleadas. Si los hechos reales no se ajustan a las predicciones, significa que la fórmula no es totalmente válida. Por tal motivo, se convierte en un gran hallazgo la confirmación de que una predicción no se cumple.

Hasta ahora se han encontrado 4 fuerzas, o interacciones, denominadas fundamentales. De estas 4 fuerzas, solamente la gravedad actúa a escala cósmica y es una fuerza de atracción, no de repulsión. Por este motivo, para muchas personas resulta muy difícil aceptar que la explosión del Big Bang de potencia inimaginable inició el proceso de esparcir el cosmos en todas direcciones en un proceso de expansión que todavía prosigue hasta el día de hoy.

FUERZA DE GRAVEDAD Estudiada inicialmente por Newton y luego por Einstein, quien le dio un nuevo enfoque.
FUERZA DÉBIL

La fuerza débil o fuerza nuclear débil o interacción nuclear débil actúa entre partículas elementales, en todos los procesos de interacción entre los neutrinos y la materia.
La fuerza débil o intereacción débil es responsable de algunas reacciones nucleares.

FUERZA NUCLEAR FUERTE

La fuerza nuclear fuerte o interacción fuerte es un centenar de veces más intensa que la fuerza electromagnética y es la que mantiene unidos en el núcleo atómico a protones y neutrones.
Ambas partículas, denominadas nucleones, permanecen así unidas.

FUERZA ELECTROMAGNÉTICA

Dos partículas con cargas eléctricas iguales se repelen. Dos partículas con cargas eléctricas diferentes se atraen. En ambos casos, con una fuerza que es directamente proporcional a las cargas eléctricas y que disminuye con el cuadrado de la distancia que las separa.
Es la interacción electromagnética.

Las cuatro fuerzas llamadas fundamentales se reducirían a dos, si resultara correcta la unificación de la Teoría Cuántica de Campo y la Cromodinámica Cuántica.

De estas cuatro fuerzas, aún no hemos podido saber si son la misma interacción, pero que tienen características diferentes.

De ellas, la más complicada de introducir es la gravedad.

El campo gravitatorio no se basa en el intercambio de partículas sino en la deformación del espacio-tiempo.

Existen teorías cuánticas que pretenden unificar la gravedad postulando la partícula de intercambio que, aunque no está descubierta todavía, se denominaría " gravitón".

Gravedad

En 1921, el matemático alemán Theodor Kaluza propuso un nuevo método para unificar estas 4 fuerzas en una sola. Demostró que, considerando 5 dimensiones, se puede agrupar el electromagnetismo y la gravitación en una sola teoría. Al introducir las otras dos fuerzas fundamentales, la teoría de Kaluza no funciona correctamente.

Existen otros estudios que, trabajando con más de 5 dimensiones, buscan la ansiada unificación.

Estas teorías no son teorías cuánticas, pues no trabajan con la idea de la interacción como un intercambio de partículas.

En estas teorías las fuerzas se explican como una propiedad del espacio (tal y como sucede con la gravedad). Se denominan las teorías de las supercuerdas, que pretenden explicar toda la física mediante la introducción de unas diminutas cuerdas de materia muy densa; estas cuerdas son muy pequeñas, pues no tienen más de 10-35 m de largo.

supercuerdas
Supercuerdas

Todas las cuerdas son lazos donde los fermiones y los bosones, que son las partículas elementales asociadas a la materia, y a las interacciones respectivamente, corresponden a ondas que viajan en la dirección de las manecillas del reloj para el caso de los fermiones y en dirección contraria, en el caso de los bosones.

Es la llamada Teoría de Cuerdas.

En las teorías de supercuerdas cada uno de los infinitos modos posibles de vibración, (armónicos y modos fundamentales de vibración), correspondería a una partícula diferente. Esto implica la existencia de un número infinito de partículas elementales.

Todo esto es relativamente fácil de asimilar, pero se supone que estas cuerdas vibran en un espacio que tiene de 10 a 26 dimensiones.

supercuerdas

En 1968, se demostró que existe una conexión entre la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil. Es lo que se llama fuerza electrodébil.

Este enfoque se consiguió con la llamada Teoría Cuántica de Campos, que aplicada a las fuerzas electromagnética y débil se denomina electrodinámica cuántica. En esta teoría se considera que una fuerza que actúa entre dos partículas lo hace como  intercambio de unas partículas especiales llamadas partículas de fuerza o portadores de fuerza.

Estas partículas de fuerza son los bosones. Se puede decir que la fuerza electromagnética depende del intercambio de fotones, mientras que en la fuerza nuclear débil interviene el intercambio de dos tipos de bosones muy masivos llamados W y Z. Para la fuerza nuclear fuerte se postuló la existencia de una portadora que actúa a un nivel más profundo, son los gluones, bosones que no tienen masa.

Las matemáticas desarrolladas por matemáticos profesionales, está desprovista de referencias a la realidad física. Trata con abstracciones donde las conclusiones se deducen de axiomas supuestos, sin ninguna conexión con el mundo físico que conocemos. Cuando los físicos elaboran nuevas teorías, se encuentran a menudo con que hay estructuras matemáticas que se ajustan a ellas y las amplían.. Así, por ejemplo, cuando Einstein desarrolló su teoría de la gravitación, conocida como la teoría general de la relatividad, necesitó una teoría del espacio-tiempo curvado. Y encontró que esa teoría ya se había desarrollado en el siglo XIX por matemáticos como Riemann, Gauss y Lobatchewski, que no habían previsto que eso tendría relación con la gravitación.

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En este misma web, unos apuntes acerca de la energía oscura

El Universo, las fuerzas y el Big Bang, interesante VIDEO de 47 minutos

Acerca del modelo estándar en el portal de Tendencias Científica

Comentarios al modelo estándar en "EL Tamiz", antes simplista que incomprensible

Interesante enfoque en la web de la Junta de Andalucía

La física cuántica en la web de "Tendencias científicas"

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