Fuerzas Fundamentales del Universo (Segunda Parte)

Hola nuevamente, ahora seguiré desarrollando el tema sobre las Fuerzas Fundamentales del Universo, el cual deje sin explicar qué eran las Fuerzas Nuclear Fuerte, Nuclear Débil y la Gravitatoria, así que sin más, continuemos.

¿Qué es la Fuerza Nuclear Fuerte y Cómo interactúa con nosotros?

La Fuerza Nuclear Fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética.

La interacción fuerte, también conocida como interacción nuclear fuerte, es aquella que permite unirse a los quarks (partículas sub-atómicas) para formar hadrones. La interacción electromagnética se da entre partículas cargadas eléctricamente, aquí las partículas también tienen carga, la carga de color. A pesar de su fuerte intensidad, su efecto sólo se aprecia a distancias muy cortas del orden del radio atómico. Según el modelo estándar, la partícula mediadora de esta fuerza es el gluón. 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.

Como resultado colateral de la interacción entre quarks, existe una manifestación de la Fuerza Nuclear Fuerte que explica que 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 más 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. Esta interacción entre nucleones (protones y neutrones) se produce a través de parejas de quark-antiquark en forma de piones.

¿Qué es la Fuerza Nuclear Débil y Cómo interactúa con nosotros?

La Fuerza Nuclear Débil es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción. Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte.

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 de que los quarks y leptones decaigan en partículas más 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.

¿Qué es la Fuerza Gravitatoria y Cómo interactúa con nosotros?

La Gravitatoria es la fuerza de atracción que alguna materia ejerce sobre otra y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido pero de alcance infinito.

Es la más conocida de las interacciones y al mismo tiempo la que plantea mayores problemas teóricos, ya que el Modelo Estándar no da cuenta de ellas, es muy débil y afecta a todas las partículas, e incluso a las que no cuentan con masa, como el fotón, debido a que a grandes distancias, por su efecto acumulativo con la masa, tiene mayor efecto que las demás. Junto al Electromagnetismo, son las interacciones que actúan a grandes distancias y contrariamente al Electromagnetismo sólo tiene carácter atractivo. A distancias atómicas, y en comparación con el resto de interacciones, es la más débil de todas.

La interacción gravitatoria, hace que cualquier tipo de materia provista de energía interaccione entre sí, como lo vemos en nuestro día a día, el porqué hace girar los planetas alrededor del Sol, etc. Para formas de materia ordinaria cuyo tensor energía-impulso satisface ciertas condiciones de positividad, tendrá un carácter atractivo. La teoría de la relatividad general estudia el comportamiento de esta interacción a escala planetaria y supragaláctica describiéndola como una Curvatura del espacio-tiempo. En otras palabras, la interacción gravitatoria es una manifestación de la deformación que sufre el espacio-tiempo por la presencia de grandes masas. La teoría newtoniana de la gravitación es una aproximación no-relativista a la interacción gravitatoria, es decir que la Gravedad en vez de “jalarnos” hacia abajo lo que hace en verdad es curvar el espacio-tiempo y, de esta manera, lo que haría es empujarnos hacia abajo, es decir como si quisiera achatarnos en vez de jalarnos.

Según la hipótesis del modelo estándar, la interacción gravitatoria, gravitación o fuerza de la gravedad, es transmitida por el gravitón (partícula hipotética). Cabe indicar que la teoría de la gravitación, en su formulación actual, no es una interacción que sea muy consistente con la descripción usual de la física de partículas, sin embargo, debido a que la gravitación es sólo perceptible en distancias muy por encima del radio atómico esto permite en la práctica usar ambas teorías simultáneamente sin encontrar conflicto en la mayoría de situaciones prácticas.

Y con estas nuevas teorías podemos saber también que se pueden observar y estudiar una nueva serie de sucesos antes no explicables o no observados como:

Desviación Gravitatoria de luz hacia el rojo en presencia de campos con intensa gravedad: la frecuencia de la luz decrece al pasar por una región de elevada gravedad. Confirmado por el experimento de Pound y Rebka (1959).

Dilatación gravitatoria del tiempo: los relojes situados en condiciones de gravedad elevada marcan el tiempo más lentamente que relojes situados en un entorno sin gravedad. Demostrado experimentalmente con relojes atómicos situados sobre la superficie terrestre y los relojes en órbita del Sistema de Posicionamiento Global (GPS por sus siglas en inglés). También, aunque se trata de intervalos de tiempo muy pequeños, las diferentes pruebas realizadas con sondas planetarias han dado valores muy cercanos a los predichos por la relatividad general.

Precesión geodésica: debido a la curvatura del espacio-tiempo, la orientación de un giroscopio en rotación cambiará con el tiempo. Esto está siendo puesto a prueba por el satélite Gravity Probe B.

Espero les haya gustado esta segunda parte acerca de las Fuerzas Fundamentales del Universo. En la siguiente edición de este blog les hablaré, esta vez sí, sobre las Partículas Sub-Atómicas y el Bosón de Higgs. Nos vemos pronto y recuerden que siempre deben preguntar, indagar y experimentar, nunca dejen de hacerlo porque la ciencia es su amiga.