Interacción fundamental

En su teoría de 1687, Isaac Newton postuló el espacio como una estructura física infinita e inalterable que existe antes, dentro y alrededor de todos los objetos, mientras que sus estados y relaciones se desarrollan a un ritmo constante en todas partes, dando lugar así a un espacio y un tiempo absolutos . Al inferir que todos los objetos con masa se aproximan a una velocidad constante, pero colisionan por impacto proporcional a sus masas, Newton dedujo que la materia exhibe una fuerza de atracción. Su ley de gravitación universal implicaba que existía una interacción instantánea entre todos los objetos. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Como se interpreta convencionalmente, la teoría del movimiento de Newton modelaba una fuerza central sin un medio de comunicación. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Por lo tanto, la teoría de Newton violó la tradición, que se remonta a Descartes , de que no debería haber acción a distancia . ^{[ 7 ]} Por el contrario, durante la década de 1820, al explicar el magnetismo, Michael Faraday infirió un campo que llenaba el espacio y transmitía esa fuerza. Faraday conjeturó que, en última instancia, todas las fuerzas se unificaban en una sola. ^{[ 8 ]}

En 1873, James Clerk Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo como efectos de un campo electromagnético cuya tercera consecuencia era la luz, que viajaba a velocidad constante en el vacío. Si su teoría del campo electromagnético fuera válida en todos los sistemas de referencia inerciales , esto contradiría la teoría del movimiento de Newton, que se basaba en la relatividad galileana . ^{[ 9 ]} Si, en cambio, su teoría del campo solo se aplicara a sistemas de referencia en reposo con respecto a un éter luminífero mecánico —que se suponía que llenaba todo el espacio, ya fuera dentro de la materia o en el vacío, y que manifestaba el campo electromagnético—, entonces podría conciliarse con la relatividad galileana y las leyes de Newton. (Sin embargo, dicho «éter de Maxwell» fue posteriormente refutado; de hecho, las leyes de Newton tuvieron que ser reemplazadas). ^{[ 10 ]}

El Modelo Estándar de la física de partículas se desarrolló a lo largo de la segunda mitad del siglo XX. En el Modelo Estándar, las interacciones electromagnética, fuerte y débil se asocian con partículas elementales , cuyos comportamientos se modelan en la mecánica cuántica (MC). Para lograr un éxito predictivo con los resultados probabilísticos de la MC , la física de partículas modela convencionalmente los eventos de MC a través de un campo establecido a la relatividad especial , en conjunto la teoría cuántica de campos relativista (TCC). ^{[ 11 ]} Las partículas de fuerza, llamadas bosones de gauge —portadores de fuerza o partículas mensajeras de campos subyacentes— interactúan con partículas de materia, llamadas fermiones .

La materia cotidiana está compuesta por átomos, formados por tres tipos de fermiones: quarks arriba y quarks abajo , que constituyen el núcleo atómico, así como electrones que orbitan a su alrededor. Los átomos interactúan, forman moléculas y manifiestan propiedades adicionales mediante interacciones electromagnéticas entre sus electrones, que absorben y emiten fotones, portadores de la fuerza del campo electromagnético, los cuales, sin obstáculos, pueden recorrer distancias potencialmente infinitas. La teoría cuántica de campos del electromagnetismo es la electrodinámica cuántica (QED).

Los portadores de fuerza de la interacción débil son los bosones masivos W y Z. La teoría electrodébil (TED) abarca tanto el electromagnetismo como la interacción débil. A las altas temperaturas poco después del Big Bang , la interacción débil, la interacción electromagnética y el bosón de Higgs eran originalmente componentes mixtos de un conjunto diferente de campos antiguos previos a la ruptura de simetría. A medida que el universo primitivo se enfrió, estos campos se dividieron en la interacción electromagnética de largo alcance, la interacción débil de corto alcance y el bosón de Higgs. En el mecanismo de Higgs , el campo de Higgs manifiesta bosones de Higgs que interactúan con ciertas partículas cuánticas de manera que les confieren masa. La interacción fuerte, cuyo portador de fuerza es el gluón , que recorre distancias minúsculas entre quarks, se modela en la cromodinámica cuántica (QCD). La TED, la QCD y el mecanismo de Higgs conforman el Modelo Estándar (ME) de la física de partículas . Las predicciones suelen realizarse mediante métodos de aproximación computacional, aunque dicha teoría de perturbaciones resulta insuficiente para modelar algunas observaciones experimentales (por ejemplo, estados ligados y solitones ). Aun así, los físicos aceptan ampliamente el Modelo Estándar como la teoría científica con mayor respaldo experimental.

La gravitación es la más débil de las cuatro interacciones a escala atómica, donde predominan las interacciones electromagnéticas.

La gravitación es la más importante de las cuatro fuerzas fundamentales para los objetos astronómicos a distancias astronómicas por dos razones. Primero, la gravitación tiene un alcance efectivo infinito, como el electromagnetismo, pero a diferencia de las interacciones fuerte y débil. Segundo, la gravedad siempre atrae y nunca repele; en cambio, los cuerpos astronómicos tienden a una carga eléctrica neta casi neutra, de modo que la atracción hacia un tipo de carga y la repulsión de la carga opuesta se cancelan casi por completo. ^{[ 13 ]}

Aunque el electromagnetismo es mucho más fuerte que la gravedad, la atracción electrostática no es relevante para los grandes cuerpos celestes, como planetas, estrellas y galaxias, simplemente porque estos cuerpos contienen el mismo número de protones y electrones y, por lo tanto, tienen una carga eléctrica neta de cero. Nada "cancela" la gravedad, ya que solo es atractiva, a diferencia de las fuerzas eléctricas, que pueden ser atractivas o repulsivas. Por otro lado, todos los objetos con masa están sujetos a la fuerza gravitatoria, que solo atrae. Por consiguiente, solo la gravedad importa en la estructura a gran escala del universo.

El amplio alcance de la gravedad la hace responsable de fenómenos a gran escala como la estructura de las galaxias y los agujeros negros y, al ser solo atractiva, ralentiza la expansión del universo . La gravedad también explica fenómenos astronómicos a escalas más modestas, como las órbitas planetarias , así como experiencias cotidianas: los objetos caen; los objetos pesados ​​se comportan como si estuvieran pegados al suelo, y los animales solo pueden saltar hasta cierta altura.

La gravitación fue la primera interacción descrita matemáticamente. En la antigüedad, Aristóteles planteó la hipótesis de que los objetos de diferente masa caen a velocidades distintas. Durante la Revolución Científica , Galileo Galilei determinó experimentalmente que esta hipótesis era errónea en ciertas circunstancias: si se ignora la fricción debida a la resistencia del aire y las fuerzas de flotación en presencia de una atmósfera (por ejemplo, al comparar un globo lleno de aire con uno lleno de agua), todos los objetos se aceleran hacia la Tierra al mismo ritmo. La ley de gravitación universal de Isaac Newton (1687) fue una buena aproximación del comportamiento de la gravitación. La comprensión actual de la gravitación se basa en la Teoría General de la Relatividad de Einstein de 1915, una descripción más precisa (especialmente para masas y distancias cosmológicas ) de la gravitación en términos de la geometría del espacio-tiempo .

La fusión de la relatividad general y la mecánica cuántica (o teoría cuántica de campos ) en una teoría más general de la gravedad cuántica es un área de investigación activa. Se plantea la hipótesis de que la gravitación está mediada por una partícula sin masa de espín 2 llamada gravitón .

Si bien la relatividad general ha sido confirmada experimentalmente (al menos para campos débiles, es decir, no para agujeros negros) en todas las escalas excepto las más pequeñas, existen alternativas a la relatividad general . Estas teorías deben reducirse a la relatividad general en algún límite, y el objetivo del trabajo observacional es establecer límites a las posibles desviaciones de la relatividad general.

Las dimensiones adicionales propuestas podrían explicar por qué la fuerza de gravedad es tan débil. ^{[ 14 ]}

El electromagnetismo y la interacción débil parecen ser muy diferentes a las bajas energías cotidianas. Se pueden modelar utilizando dos teorías distintas. Sin embargo, por encima de la energía de unificación, del orden de 100 GeV , se fusionarían en una única fuerza electrodébil.

La teoría electrodébil es muy importante para la cosmología moderna , en particular para comprender cómo evolucionó el universo . Esto se debe a que, poco después del Big Bang, cuando la temperatura aún superaba aproximadamente los ^10¹⁵ K , la fuerza electromagnética y la fuerza débil todavía estaban fusionadas, formando una fuerza electrodébil combinada. 

Por sus contribuciones a la unificación de la interacción débil y electromagnética entre partículas elementales , Abdus Salam , Sheldon Glashow y Steven Weinberg recibieron el Premio Nobel de Física en 1979. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Electromagnetismo

El electromagnetismo es la fuerza que actúa entre partículas con carga eléctrica . Este fenómeno incluye la fuerza electrostática que actúa entre partículas cargadas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre partículas cargadas que se mueven unas respecto a otras.

El electromagnetismo tiene un alcance infinito, al igual que la gravedad, pero es muchísimo más fuerte. Es la fuerza que une los electrones a los átomos y mantiene unidas las moléculas . Es responsable de fenómenos cotidianos como la luz , los imanes , la electricidad y la fricción . El electromagnetismo determina fundamentalmente todas las propiedades macroscópicas, y muchas propiedades a nivel atómico, de los elementos químicos .

En una jarra de agua de cuatro kilogramos (~1 galón), hay

${\displaystyle 4000\ {\mbox{g}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {{O}\cdot {\frac {1\ {\mbox{mol}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {O}}}}}{18\ {\mbox{g}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {10\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}{1\ {\mbox{mol}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {96.000\ {\mbox{C}}\,}{1\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}}=2,1\times 10^{8}C\ \,\ }}}}}$

de carga total de electrones. Por lo tanto, si colocamos dos jarras de este tipo a un metro de distancia, los electrones en una de las jarras repelen a los de la otra jarra con una fuerza de

${\displaystyle {1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{\frac {(2.1\times 10^{8}\mathrm {C} )^{2}}{(1m)^{2}}}=4.1\times 10^{26}\mathrm {N} .}$

Esta fuerza es muchas veces mayor que el peso del planeta Tierra. Los núcleos atómicos de una jarra también se repelen entre sí con la misma fuerza. Sin embargo, estas fuerzas repulsivas se anulan por la atracción de los electrones de la jarra A con los núcleos de la jarra B y la atracción de los núcleos de la jarra A con los electrones de la jarra B, resultando en una fuerza neta nula. Las fuerzas electromagnéticas son muchísimo más fuertes que la gravedad, pero tienden a anularse mutuamente, de modo que, para cuerpos a escala astronómica, la gravedad predomina.

Los fenómenos eléctricos y magnéticos se han observado desde la antigüedad, pero no fue hasta el siglo XIX cuando James Clerk Maxwell descubrió que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos de una misma interacción fundamental. En 1864, las ecuaciones de Maxwell cuantificaron rigurosamente esta interacción unificada. La teoría de Maxwell, reformulada mediante el cálculo vectorial , es la teoría clásica del electromagnetismo, adecuada para la mayoría de las aplicaciones tecnológicas.

La velocidad constante de la luz en el vacío (que habitualmente se denota con la letra c minúscula ) se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell, que son consistentes con la teoría de la relatividad especial. Sin embargo, la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein de 1905 , que se desprende de la observación de que la velocidad de la luz es constante independientemente de la velocidad del observador, demostró que el resultado teórico implícito en las ecuaciones de Maxwell tiene profundas implicaciones que van mucho más allá del electromagnetismo, afectando la naturaleza misma del tiempo y el espacio.

En otro trabajo que se apartó del electromagnetismo clásico, Einstein también explicó el efecto fotoeléctrico utilizando el descubrimiento de Max Planck de que la luz se transmite en "cuantos" de contenido energético específico según la frecuencia, que ahora llamamos fotones . Alrededor de 1927, Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con la teoría relativista del electromagnetismo . Trabajos posteriores en la década de 1940, por Richard Feynman , Freeman Dyson , Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga , completaron esta teoría, que ahora se denomina electrodinámica cuántica , la teoría revisada del electromagnetismo. La electrodinámica cuántica y la mecánica cuántica proporcionan una base teórica para comportamientos electromagnéticos como el efecto túnel cuántico , en el que un cierto porcentaje de partículas cargadas eléctricamente se mueven de maneras que serían imposibles bajo la teoría electromagnética clásica, lo cual es necesario para el funcionamiento de dispositivos electrónicos cotidianos como los transistores .

La interacción fuerte , o fuerza nuclear fuerte , es la interacción más compleja, principalmente debido a su variación con la distancia. La fuerza nuclear es fuertemente atractiva entre los nucleones a distancias de aproximadamente 1 femtómetro (fm, o 10⁻¹⁵ ^metros ), pero disminuye rápidamente hasta volverse insignificante a distancias superiores a unos 2,5 fm. A distancias menores de 0,7 fm, la fuerza nuclear se vuelve repulsiva. Este componente repulsivo es responsable del tamaño físico de los núcleos, ya que los nucleones no pueden acercarse más de lo que permite la fuerza.

Tras el descubrimiento del núcleo en 1908, quedó claro que se necesitaba una nueva fuerza, conocida hoy como fuerza nuclear, para superar la repulsión electrostática —una manifestación del electromagnetismo— de los protones con carga positiva. De lo contrario, el núcleo no podría existir. Además, esta fuerza debía ser lo suficientemente intensa como para comprimir los protones en un volumen cuyo diámetro es de aproximadamente 10⁻¹⁵ ^m , mucho menor que el del átomo completo. A partir del corto alcance de esta fuerza, Hideki Yukawa predijo que estaba asociada a una partícula de fuerza masiva, cuya masa es de aproximadamente 100 MeV.

El descubrimiento del pión en 1947 marcó el comienzo de la era moderna de la física de partículas. Entre las décadas de 1940 y 1960 se descubrieron cientos de hadrones, y se desarrolló una teoría extremadamente compleja sobre los hadrones como partículas que interactúan fuertemente. En particular:

• Se entendía que los piones eran oscilaciones de condensados ​​de vacío ;
• Jun John Sakurai propuso que los bosones vectoriales rho y omega fueran partículas portadoras de fuerza para simetrías aproximadas de isospín e hipercarga ;
• Geoffrey Chew , Edward K. Burdett y Steven Frautschi agruparon los hadrones más pesados ​​en familias que podían entenderse como excitaciones vibracionales y rotacionales de cuerdas .

Si bien cada uno de estos enfoques aportó ideas valiosas, ninguno condujo directamente a una teoría fundamental.

Murray Gell-Mann, junto con George Zweig, propuso por primera vez la existencia de quarks con carga fraccionaria en 1961. A lo largo de la década de 1960, diversos autores consideraron teorías similares a la teoría fundamental moderna de la cromodinámica cuántica (QCD) como modelos sencillos para las interacciones de los quarks. Los primeros en plantear la hipótesis de los gluones de la QCD fueron Moo-Young Han y Yoichiro Nambu , quienes introdujeron la carga de color de los quarks . Han y Nambu plantearon la hipótesis de que esta carga podría estar asociada a un campo portador de fuerza. Sin embargo, en aquel momento, resultaba difícil comprender cómo un modelo de este tipo podría confinar permanentemente a los quarks. Han y Nambu también asignaron a cada color de quark una carga eléctrica entera, de modo que los quarks solo tenían carga fraccionaria en promedio, y no esperaban que los quarks de su modelo estuvieran confinados permanentemente.

En 1971, Murray Gell-Mann y Harald Fritzsch propusieron que el campo de gauge de color de Han/Nambu era la teoría correcta de las interacciones de corto alcance de los quarks con carga fraccionaria. Poco después, David Gross , Frank Wilczek y David Politzer descubrieron que esta teoría poseía la propiedad de libertad asintótica , lo que les permitió establecer contacto con la evidencia experimental . Concluyeron que la cromodinámica cuántica (QCD) era la teoría completa de las interacciones fuertes, correcta en todas las escalas de distancia. El descubrimiento de la libertad asintótica llevó a la mayoría de los físicos a aceptar la QCD, ya que quedó claro que incluso las propiedades de largo alcance de las interacciones fuertes podían ser consistentes con el experimento si los quarks estaban permanentemente confinados : la fuerza fuerte aumenta indefinidamente con la distancia, atrapando a los quarks dentro de los hadrones.

Suponiendo que los quarks están confinados, Mikhail Shifman , Arkady Vainshtein y Valentine Zakharov pudieron calcular las propiedades de muchos hadrones de baja energía directamente a partir de la cromodinámica cuántica (QCD), con solo unos pocos parámetros adicionales para describir el vacío. En 1980, Kenneth G. Wilson publicó cálculos computacionales basados ​​en los primeros principios de la QCD, estableciendo, con un nivel de confianza prácticamente absoluto, que la QCD confina a los quarks. Desde entonces, la QCD se ha convertido en la teoría establecida de las interacciones fuertes.

La cromodinámica cuántica (QCD) es una teoría que describe la interacción de quarks con carga fraccionaria mediante ocho partículas bosónicas llamadas gluones. Los gluones interactúan entre sí, no solo con los quarks, y a grandes distancias, las líneas de fuerza coliman formando cuerdas, modeladas aproximadamente mediante un potencial lineal, una fuerza atractiva constante. De esta forma, la teoría matemática de la QCD no solo explica cómo interactúan los quarks a corta distancia, sino también el comportamiento de cuerdas, descubierto por Chew y Frautschi, que manifiestan a distancias mayores.

Convencionalmente, la interacción de Higgs no se cuenta entre las cuatro fuerzas fundamentales. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

No obstante, aunque no se trata de una interacción de gauge ni está generada por ninguna simetría de difeomorfismo , el acoplamiento de Yukawa cúbico del campo de Higgs produce una quinta interacción débilmente atractiva. Tras la ruptura espontánea de simetría mediante el mecanismo de Higgs , los términos de Yukawa permanecen de la forma

${\displaystyle {\frac {\lambda _ {i}}{\sqrt {2}}}{\bar {\psi }}\phi '\psi ={\frac {m_{i}}{\nu }}{\bar {\psi }}\phi '\psi }$,

con acoplamiento Yukawa${\displaystyle \lambda _{i}}$masa de partícula${\displaystyle m_{i}}$(en eV ) y valor esperado del vacío de Higgs246,22  GeV . Por lo tanto, las partículas acopladas pueden intercambiar un bosón de Higgs virtual , generando potenciales clásicos de la forma

${\displaystyle V(r)=-{\frac {m_{i}m_{j}}{m_{\rm {H}}^{2}}}{\frac {1}{4\pi r}}e^{-m_{\rm {H}}\,c\,r/\hbar }}$,

con masa de Higgs125,18  GeV . Debido a que la longitud de onda Compton reducida del bosón de Higgs es tan pequeña (1,576 × 10 ⁻¹⁸  m , comparable a los bosones W y Z ), este potencial tiene un alcance efectivo de unos pocos attómetros . Entre dos electrones, comienza aproximadamente 10 ¹¹ veces más débil que la interacción débil , y crece exponencialmente más débil a distancias distintas de cero.