Interaiciones fundamentales

Interaiciones fundamentales
tipo de interacción ^(es)
fenómenu físicu y interaición

Cuadru esplicativu de les 4 fuercies fundamentales.

En física de partícules, denominar fuercia fundamental a caúna de les clases d'interacciones^{[Nota 1]} ente les partícules subatómiques, a saber:^{[1][Nota 2]}

1. Fuercies nucleares
2. Fuercies electromagnétiques
3. Fuercies débiles (Interacciones d'escayencia)
4. 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.^[2]

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.^[3]

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^{[ensin referencies]}.

Casi tola historia de la física moderna centróse na unificación d'estes interacciones^[4] y hasta agora la interacción débil y la electromagnética pudiéronse unificar na interacción electrodébil.^[5] 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.^[6]

Los cuatro interacciones fundamentales^[7]

Propiedá/Interacción	Gravitatoria	Débil	Electromagnética	Fuerte
		(Electrodébil)		Fundamental	Residual
Actúa sobre:	Masa - Enerxía	Sabor	Carga llétrica	Carga de color	Nucleos atómicos
Partícules que la esperimenten:	Toes	Quarks, leptones	con carga llétrica | align="center" |Quarks, Gluones	Hadrones
Partícules mediadores:	Nenguna Gravitón (conxeturáu)	W^+ W^− Z⁰	γ (fotones)	Gluones	Mesones
Magnitú (a la escala de los quarks):	10^-41	10^-4	1	10^60	Non aplicable a los quarks
Magnitú (a la escala de los protones):	10^-36	10^-7	1	Non aplicable a los hadrones	10²

Historia

Artículu principal: Teoría del tou

La historia de la física foi acompañada de la idea d'unificación^{[ensin referencies]}, d'atopar un conxuntu de lleis simples, describan l'universu. Galileo fixo una completa descripción de los efeutos de la gravedá na Tierra^{[ensin referencies]} 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,^[8] quedando unificaos estos otros dos fenómenos nel electromagnetismu^{[ensin referencies]}.

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 felicidaes fuercies, los bosones^{[ensin referencies]}. 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.^[6]

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^{[ensin referencies]}.

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^{[ensin referencies]}. Finalmente créese ^[¿quién?]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

Artículu principal: Gravedá

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^{[ensin referencies]}. 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^{[ensin referencies]}. La teoría de la relatividá xeneral estudia'l comportamientu d'esta interacción a escala planetaria y supragaláutica describiéndola como una Combadura del espaciu-tiempu^{[ensin referencies]}. N'otres pallabres, la interacción gravitatoria ye una manifestación de la deformación que sufre'l espaciu-tiempu pola presencia de grandes mases^{[ensin referencies]}. 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^{[ensin referencies]}. 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

Artículu principal: Electromagnetismu

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^{[ensin referencies]}.

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^{[ensin referencies]}. 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^{[ensin referencies]} la mecánica cuántica cola teoría relativista del electromagnetismu, la teoría de la electrodinámica cuántica, que se completó na década de 1940.

Interacción nuclear fuerte

Artículu principal: 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.^[9] 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^{[ensin referencies]}; 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.^[10] Esta interacción ente nucleones (protones y neutrones) produzse al traviés de pareyes de quark-antiquark en forma de piones.

Interacción nuclear débil

Artículu principal: 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.^[11] 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^{[ensin referencies][ensin referencies]}.

Tabla comparativa

Interacción[12]	Teoría descriptiva	Mediadores	Fuercia relativo	Comportamientu cola distancia (r)	Algame (m)
Fuerte	Cromodinámica cuántica (QCD)	gluones	10^38	${\displaystyle {\frac {y^{-{\frac {r}{R}}}}{r^{2}}}}$	10^-15
Electromagnética	Electrodinámica cuántica (QED)	fotones	10^36	${\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}}$	${\displaystyle \infty }$
Débil	Teoría electrodébil	bosones W y Z	10^25	${\displaystyle {\frac {y^{-m_{W,Z}r}}{r^{2}}}}$	10^-18
Gravitatoria	Gravedá cuántica	gravitones (hipotéticos)	1	${\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}}$	${\displaystyle \infty }$

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

Artículu principal: Modelu estándar de la física de partícules

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^{[ensin referencies]}. El problema surde al cuantizar la gravedá, que resulta ser una teoría non renormalizable^[13] (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 l'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:^[14]

Interacción	Gravitatoria	Electromagnética	Débil	Fuerte
Remanar	masa-enerxía	carga llétrica	carga de sabor	carga de color
toes 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

Artículos principales: Enerxía escura y Quintaesencia

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.^[15] 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

1. Los términos "fuercia" y "interacción" utilizar en forma intercambiable.
2. En plural nel orixinal.

Referencies

1. «Chen Ning Yang - Nobel Lecture: The Law of Parity Conservation and Other Symmetry Laws of Physics». Consultáu'l 19 de xineru de 2017. «[...] a classification of the forces that act between subatomic particles, a classification which the physicists have learned through experience to use in the last 50 years. We list the four classes of interactions below.»
2. «Melvin Schwartz - Nobel Lecture: The First High Energy Neutrín Experiment». Consultáu'l 19 de xineru de 2017.
3. «Abdus Salam - Nobel Lecture: Gauge Unification of Fundamental Forces». Consultáu'l 19 de xineru de 2017. «The greatness of gauge ideas - of gauge field theories - is that they amenorga these two quests to just one; elementary particles (described by relativistic quantum fields) are representations of certain charge operators, corresponding to gravitational mass, spin, flavour, colour, electric charge and the like, while the fundamental forces are the forces of attraction or repulsion between these same charges»
4. «Abdus Salam - Nobel Lecture: Gauge Unification of Fundamental Forces». Consultáu'l 19 de xineru de 2017. «A third quest seeks for a unification between the charges (and thus of the forces) by searching for a single entity, of which the various charges are components in the sense that they can be transformed one into the other»
5. «La interacción débil». Archiváu dende l'orixinal, el 2007-07-13. Consultáu'l 7 de xineru de 2008. (enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión).
6. «Los cuatro interacciones». Archiváu dende l'orixinal, el 2008-05-28. Consultáu'l 7 de xineru de 2008. (enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión).
7. «Copia archivada». Archiváu dende l'orixinal, el 4 de marzu de 2016. Consultáu'l 18 d'agostu de 2016.^{[fonte cuestionable]}
8. «On Physical Lines of Force» (inglés). Consultáu'l 8 de xineru de 2008.
9. «Interacción fuerte». Archiváu dende l'orixinal, el 2007-07-13. Consultáu'l 9 de xineru de 2008. (enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión).
10. «Interacción fuerte residual». Archiváu dende l'orixinal, el 2007-07-13. Consultáu'l 9 de xineru de 2008. (enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión).
11. «interacción débil». Archiváu dende l'orixinal, el 2007-07-13. Consultáu'l 9 de xineru de 2008. (enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión).
12. «fuercies fundamentales». Consultáu'l 10 de xineru de 2008.
13. «A pedagogical explanation for the non-renormalizability of gravity». Consultáu'l 17 de setiembre de 2016.
14. «Tabla d'interacciones». Consultáu'l 10 de xineru de 2008.
15. Peebles, P. J. Y. y Bharat Ratra (2003). «La constante cosmolóxica y la enerxía escura». Reviews of Modern Physics 75:  páxs. 559-606. http://arxiv.org/pdf/astru-ph/0207347v2.pdf. 

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