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Las cuatro fuerzas fundamentales

Lo que nosotros comúnmente llamamos “fuerzas” son los efectos causados por las partículas portadoras de fuerzas ( bosones ) sobre las partículas materiales ( fermiones ). 

Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales.

El término fuerza se usa comúnmente para referirse a lo que mueve un objeto; por ejemplo la fuerza necesaria para cargar un avión.

La comunidad científica prefiere el nombre de interacciones fundamentales al de fuerzas debido a que con ese término se pueden referir tanto a las fuerzas como a los decaimientos que afectan a una partícula dada. En física, se denominan interacciones fundamentales los cuatro tipos de campos cuánticos mediante los cuales interactúan las partículas

Como la Wikipedia dice hay cuatro tipos de ellos:

Existen 4 tipos de interacciones fundamentales: interacción nuclear fuerteinteracción nuclear débilinteracción electromagnética e interacción gravitatoria.

Casi toda la historia de la física moderna se ha centrado en la unificación de estas interacciones, y hasta ahora la interacción débil y la electromagnética se han podido unificar en la interacción electrodébil.  En cambio, la unificación de la fuerza fuerte con la electrodébil es el motivo de toda la teoría de la gran unificación. Y finalmente, la teoría del todo involucraría esta interacción electronuclear con la gravedad.

Las cuatro interacciones fundamentales, lo son porque no se pueden explicar en función de otras más básicas.

Una explicación sencilla y entendible por todos de cada una de las interacciones, nos la da la página de astronomía educativa Astromia.com :

La gravitatoria es la fuerza de atracción que un trozo de materia ejerce sobre otro, y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido, pero de alcance infinito.

La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, tiene dos sentidos (positivo y negativo) y su alcance es infinito.

La fuerza o interacción 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 fuerza o interacción 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.

Todo lo que sucede en el Universo es debido a la actuación de una o varias de estas fuerzas. Cada una implica el intercambio de un tipo diferente de partícula, denominada partícula de intercambio o intermediaria.

Todas las partículas de intercambio son bosones, mientras que las partículas origen de la interacción son fermiones; como ya hemos dicho más arriba.

 

 

Actualmente, uno de los retos científicos de nuestra época (a pesar de que el término Teoría del Campo Unificado fue introducido ya por Einstein), es el intento de demostrar que estas interacciones fundamentales, aparentemente diferentes, son en realidad manifestaciones de un modo único de interacción.

La Teoría del Todo (ToE), en vías de expansión y demostración, quiere englobar las cuatro interacciones fundamentales en un sólo marco teórico. Actualmente existe la  Teoría de la Gran Unificación ( TGU o GUT) que une en un mismo marco la fuerza electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, dejando fuera la más escurridiza de todas: la gravedad.

Los físicos teóricos han sido incapaces hasta ahora de formular una teoría consistente que combine la relatividad general y la mecánica cuántica. Las dos teorías han mostrado ser incompatibles y la cuantización de la gravedad continúa siendo un serio problema en el campo de la física. En los años recientes, la búsqueda de una teoría de campo unificada se ha focalizado en las teoría de cuerdas (string theory en inglés) y en la teoría M que pretende unificar las teorías de cuerdas existentes.

Vías | Wikipedia, Astromia.com

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Mariposas, rosquillas y simetría especular

La simetría especular o bilateral, en geometría, es una transformación respecto de un plano de simetría, en la que a cada punto de una figura se asocia a otro punto llamado imagen, que cumple las siguientes condiciones:

a) La distancia de un punto y su imagen al plano de simetría, es la misma.

b) El segmento que une un punto con su imagen, es perpendicular al plano de simetría.

Es decir, las partes son iguales, como un objeto reflejado en un espejo.

Simetría especular en las alas de una mariposa:

La simetría especular aunque pueda parecer corriente, es una relación sorprendente. De hecho está relacionada directamente con la teoría de cuerdas.

La simetría especular puede existir entre dos variedades de Calabi-Yau.

¿Qué son las Calabi-Yau? Las Calabi-Yau son lo que se denomina una variedad en matemáticas, un tipo “especial” de objeto geométrico. Un ejemplo de variedad abstracta es la conocida botella de Klein , y  la  Cinta de Möbius se trata de una variedad no orientable.

Para empezar, decir “especial” es poco, ya que las variedades de Calabi-Yau tienen seis dimensiones. 

Las variedades de Calabi-Yau se presentan de miles de formas diferentes. Están relacionadas con la teoría de supercuerdas ofreciendo las representaciones matemáticas de las posibles dimensiones “espaciales” adicionales a las tres macroscópicas que percibimos.

Las formas típicas de las variedades Calabi-Yau contienen unos agujeros,en forma de rosquilla,los cuales pueden contener en si mismo varias dimensiones adicionales (agujeros multidimensionales).Estos agujeros juegan un papel importantísimo en el estado oscilatorio de energía mínima de las partículas elementales (teóricamente cuerdas).

Parece difícil que este tipo de objeto sea simétrico respecto a nada. Las formas pueden parecer muy diferentes geométricamente en seis dimensiones, pero sin embargo sus formas son equivalentes entre sí tal y como las alas de mariposa. 

Pero la simetría especular entre dos variedades Calabi-Yau sólo puede existir si empleamos las dimensiones ocultas de la teoría de cuerdas . De está manera podemos encontrar la simetría y se puede demostrar que las “diferentes” formas conducen a fenómenos físicos idénticos.

Sección bidimensional proyectada en 3D de una variedad de Calabi-Yau:

Actualmente los físicos teóricos, defensores de la teoría de cuerdas,dedican todos sus esfuerzos a comprender la variedad de Calabi-Yau, que se desprende en complicadísimas matemáticas.

Este objeto tan extraño, que recuerda a las lámparas de papel, guarda el secreto que une a todo el universo.  


Una vez conocida la variedad de Calabi-Yau se comprenderán los estados de vibración de esos estados de energía llamadas cuerdas y con ello se podrán resolver grandes preguntas, como el por qué existen en la naturaleza tres familias distintas de partículas elementales o dónde está el punto de unión entre la teoría general de la relatividad y la mecánica cuántica.

 

El descubrimiento de la simetría especular está ligado con nombres tales como Brian Greene, que es junto con Ronen Pessner uno de los principales codescubridores de la llamada simetría especular de las formas de Calabi-Yau.

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