El chico brillante de pelo salvaje detrás de la primera fuerza del que hablaremos Central Press / Stringer / Hulton Archive / Getty Images Mientras se sienta frente a su computadora leyendo este artículo, es posible que no se dé cuenta de las muchas fuerzas que actúan sobre usted. A fuerza se define como un empujón o un tirón que cambia el estado de movimiento de un objeto o hace que el objeto se deforme. Newton definió una fuerza como cualquier cosa que provocara la aceleración de un objeto:F =ma, dónde F es fuerza, metro es masa y a es la aceleración.
La fuerza familiar de gravedad te tira hacia abajo en tu asiento, hacia el centro de la Tierra. Lo sientes como tu peso. ¿Por qué no te caes de tu asiento? Bien, otra fuerza, electromagnetismo , mantiene unidos los átomos de tu asiento, evitando que sus átomos se entrometan en los de su asiento. Las interacciones electromagnéticas en el monitor de su computadora también son responsables de generar luz que le permite leer la pantalla.
La gravedad y el electromagnetismo son solo dos de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, específicamente dos que puedes observar todos los días. Qué son los otros dos, y ¿cómo te afectan si no puedes verlos?
Las dos fuerzas restantes actúan a nivel atómico, que nunca sentimos, a pesar de estar hecho de átomos. los fuerza potente mantiene unido el núcleo. Finalmente, los fuerza débil es responsable de la desintegración radiactiva, específicamente, desintegración beta donde un neutrón dentro del núcleo se transforma en un protón y un electrón, que se expulsa del núcleo.
Sin estas fuerzas fundamentales, usted y toda la otra materia del universo se desmoronarían y se irían flotando. Veamos cada fuerza fundamental, lo que hace cada uno, cómo se descubrió y cómo se relaciona con los demás.
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Este pequeño está a punto de descubrir de qué se trata la gravedad. Steve Puetzer / Getty Images La primera fuerza de la que se dio cuenta probablemente fue la gravedad. Cuando era niño había que aprender a levantarse y caminar. Cuando tropezaste Inmediatamente sentiste que la gravedad te devolvía al suelo. Además de causar problemas a los niños pequeños, la gravedad sostiene la luna, planetas sol, estrellas y galaxias juntas en el universo en sus respectivas órbitas. Puede trabajar a distancias inmensas y tiene un alcance infinito.
Isaac Newton concibió la gravedad como un tirón entre dos objetos que estaba directamente relacionado con sus masas e inversamente relacionado con el cuadrado de la distancia que los separa. Su ley de gravitación permitió a la humanidad enviar astronautas a la luna y sondas robóticas a los confines de nuestro sistema solar. Desde 1687 hasta principios del siglo XX, La idea de Newton de la gravedad como un "tira y afloja" entre dos objetos dominaba la física.
Pero un fenómeno que las teorías de Newton no pudieron explicar fue la peculiar órbita de Mercurio. La propia órbita parecía girar (también conocida como precesión). Esta observación frustró a los astrónomos desde mediados del siglo XIX. En 1915, Albert Einstein se dio cuenta de que las leyes del movimiento y la gravedad de Newton no se aplicaban a objetos con alta gravedad o a altas velocidades, como la velocidad de la luz.
En su teoría general de la relatividad, Albert Einstein concibió la gravedad como una distorsión del espacio causada por la masa. Imagina que colocas una bola de boliche en medio de una sábana de goma. La bola hace una depresión en la hoja (un pozo de gravedad o un campo de gravedad). Si rueda una canica hacia la bola, Caerá en la depresión (será atraído por la bola) e incluso puede rodear la bola (órbita) antes de que golpee. Dependiendo de la velocidad de la canica, puede escapar de la depresión y pasar la pelota, pero la depresión podría alterar el camino de la canica. Los campos de gravedad alrededor de objetos masivos como el sol hacen lo mismo. Einstein derivó la ley de la gravedad de Newton a partir de su propia teoría de la relatividad y demostró que las ideas de Newton eran un caso especial de relatividad. específicamente uno que se aplica a la gravedad débil y las velocidades bajas.
Al considerar los objetos masivos (Tierra, estrellas, galaxias), la gravedad parece ser la fuerza más poderosa. Sin embargo, cuando aplicas la gravedad al nivel atómico, tiene poco efecto porque las masas de partículas subatómicas son muy pequeñas. En este nivel en realidad está degradado a la fuerza más débil.
Veamos el electromagnetismo, la siguiente fuerza fundamental.
Vamos, todos saben que los opuestos se atraen, incluso Paula Abdul. Don Farrall / Getty Images Si te cepillas el cabello varias veces, su cabello puede erizarse y sentirse atraído por el cepillo. ¿Por qué? El movimiento del cepillo imparte cargas eléctricas a cada cabello y los pelos individuales cargados de forma idéntica se repelen entre sí. Similar, si coloca polos idénticos de dos imanes de barra juntos, se repelerán entre sí. Pero coloque los polos opuestos de los imanes uno cerca del otro, y los imanes se atraerán entre sí. Estos son ejemplos familiares de fuerza electromagnética; las cargas opuestas se atraen, mientras que las cargas iguales se repelen.
Los científicos han estudiado el electromagnetismo desde el siglo XVIII, con varios haciendo contribuciones notables.
Cuando los científicos calcularon la estructura del átomo a principios del siglo XX, aprendieron que las partículas subatómicas ejercían fuerzas electromagnéticas entre sí. Por ejemplo, los protones cargados positivamente podrían mantener electrones cargados negativamente en órbita alrededor del núcleo. Es más, los electrones de un átomo atraen a los protones de los átomos vecinos para formar una fuerza electromagnética residual , lo que evita que te caigas de tu silla.
Pero, ¿cómo funciona el electromagnetismo en un rango infinito en el mundo grande y en un rango corto a nivel atómico? Los físicos pensaban que los fotones transmitían fuerza electromagnética a grandes distancias. Pero tuvieron que idear teorías para reconciliar el electromagnetismo a nivel atómico, y esto llevó al campo de electrodinámica cuántica ( QED ). Según QED, los fotones transmiten fuerza electromagnética tanto macroscópicamente como microscópicamente; sin embargo, Las partículas subatómicas intercambian fotones virtuales constantemente durante sus interacciones electromagnéticas.
Pero el electromagnetismo no puede explicar cómo se mantiene unido el núcleo. Ahí es donde entran en juego las fuerzas nucleares.
Dr. Hideki Yukawa, Derecha, recibe el Premio Nobel de Física en Estocolmo de manos del entonces Príncipe Heredero Gustaf Adolf de Suecia el 10 de diciembre de 1949, por su postulación sobre el mesón. AP Photo / Getty Images El núcleo de cualquier átomo está formado por protones cargados positivamente y neutrones neutros. El electromagnetismo nos dice que los protones deberían repelerse entre sí y el núcleo debería separarse. También sabemos que la gravedad no juega un papel en una escala subatómica, por lo que debe existir alguna otra fuerza dentro del núcleo que sea más fuerte que la gravedad y el electromagnetismo. Además, dado que no percibimos esta fuerza todos los días como lo hacemos con la gravedad y el electromagnetismo, entonces debe operar en distancias muy cortas, decir, en la escala del átomo.
La fuerza que mantiene unido el núcleo se llama fuerza potente , alternativamente llamado fuerza nuclear fuerte o interacción nuclear fuerte. En 1935, Hideki Yukawa modeló esta fuerza y propuso que los protones que interactúan entre sí y con los neutrones intercambian una partícula llamada mesón - más tarde llamado pion - transmitir la fuerza fuerte.
En la década de 1950, los físicos construyeron aceleradores de partículas para explorar la estructura del núcleo. Cuando chocaron átomos a altas velocidades, encontraron los piones predichos por Yukawa. También encontraron que los protones y neutrones estaban hechos de partículas más pequeñas llamadas quarks . Entonces, la fuerza fuerte mantenía unidos a los quarks, que a su vez mantenía unido el núcleo.
Había que explicar otro fenómeno nuclear:la desintegración radiactiva. En emisión beta, un neutrón se desintegra en un protón, anti-neutrino y electrón (partícula beta). El electrón y el antineutrino se expulsan del núcleo. La fuerza responsable de esta descomposición y emisión debe ser diferente y más débil que la fuerza fuerte, por lo tanto, es un nombre desafortunado:el fuerza débil o la fuerza nuclear débil o la interacción nuclear débil.
Con el descubrimiento de los quarks, Se demostró que la fuerza débil es responsable de cambiar un tipo de quark en otro a través del intercambio de partículas llamadas bosones W y Z, que fueron descubiertos en 1983. En última instancia, la fuerza débil hace posible la fusión nuclear en el sol y las estrellas porque permite que se forme y se fusione el isótopo de hidrógeno deuterio.
Ahora que puedes nombrar las cuatro fuerzas:gravedad, electromagnetismo, la fuerza débil y la fuerza fuerte, veremos cómo se comparan e interactúan entre sí.
De los campos de QED y cromodinámica cuántica , o QCD , el campo de la física que describe las interacciones entre partículas subatómicas y fuerzas nucleares, vemos que muchas de las fuerzas son transmitidas por objetos que intercambian partículas llamadas partículas de calibre o bosones de calibre . Estos objetos pueden ser quarks, protones, electrones, átomos, imanes o incluso planetas. Entonces, ¿Cómo el intercambio de partículas transmite una fuerza? Piense en dos patinadores sobre hielo que se encuentran a cierta distancia. Si un patinador lanza una pelota al otro, los patinadores se alejarán más unos de otros. Las fuerzas funcionan de manera similar.
Los físicos han aislado las partículas de calibre para la mayoría de las fuerzas. La fuerza fuerte usa piones y otra partícula llamada gluón . La fuerza débil usa Bosones W y Z . La fuerza electromagnética utiliza fotones . Se cree que la gravedad es transportada por una partícula llamada graviton ; sin embargo, Los gravitones aún no se han encontrado. Algunas de las partículas de calibre asociadas con las fuerzas nucleares tienen masa, mientras que otros no (electromagnetismo, gravedad). Debido a que la fuerza electromagnética y la gravedad pueden operar a grandes distancias, como años luz, sus partículas de calibre deben poder viajar a la velocidad de la luz, quizás incluso más rápido para los gravitones. Los físicos no saben cómo se transmite la gravedad. Pero de acuerdo con la teoría de la relatividad especial de Einstein, ningún objeto con masa puede viajar a la velocidad de la luz, por lo que tiene sentido que los fotones y los gravitones sean partículas de calibre sin masa. De hecho, Los físicos han establecido firmemente que los fotones no tienen masa.
¿Qué fuerza es la más poderosa de todas? Esa sería la fuerza nuclear fuerte. Sin embargo, actúa solo en un corto rango, aproximadamente del tamaño de un núcleo. La fuerza nuclear débil es una millonésima parte de la fuerza nuclear fuerte y tiene un alcance aún más corto, menos que el diámetro de un protón. La fuerza electromagnética es aproximadamente un 0,7 por ciento más fuerte que la fuerza nuclear fuerte, pero tiene un rango infinito porque los fotones que llevan la fuerza electromagnética viajan a la velocidad de la luz. Finalmente, la gravedad es la fuerza más débil en aproximadamente 6 x 10 -29 veces el de la fuerza nuclear fuerte. Gravedad, sin embargo, tiene un rango infinito.
Los físicos actualmente están persiguiendo la idea de que las cuatro fuerzas fundamentales pueden estar relacionadas y que surgieron de una fuerza al principio del universo. La idea no tiene precedentes. Una vez pensamos en la electricidad y el magnetismo como entidades separadas, pero obra de Oersted, Faraday, Maxwell y otros demostraron que estaban relacionados. Las teorías que relacionan las fuerzas fundamentales y las partículas subatómicas se llaman apropiadamente grandes teorías unificadas . Más sobre ellos a continuación.
El núcleo magnético del Gran Colisionador de Hadrones podría unir algún día la fuerza fuerte con la fuerza electrodébil. Fabrice Coffrini / AFP / Getty Images La ciencia nunca descansa de modo que el trabajo sobre las fuerzas fundamentales está lejos de haber terminado. El siguiente desafío es construir una gran teoría unificada de las cuatro fuerzas, una tarea especialmente difícil ya que los científicos han luchado por reconciliar las teorías de la gravedad con las de la mecánica cuántica.
Ahí es donde los aceleradores de partículas, que puede inducir colisiones a energías más altas, Ser util. En 1963, los físicos Sheldon Glashow, Abdul Salam y Steve Weinberg sugirieron que la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética podrían combinarse a energías más altas en lo que se llamaría el fuerza electrodébil . Ellos predijeron que esto ocurriría a una energía de aproximadamente 100 gigaelectronvoltios (100GeV) o una temperatura de 10 15 K, que ocurrió poco después del Big Bang. En 1983, Los físicos alcanzaron estas temperaturas en un acelerador de partículas y demostraron que la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil estaban relacionadas.
Las teorías predicen que la fuerza fuerte se unirá con la fuerza electrodébil a energías superiores a 10 15 GeV y que todas las fuerzas pueden unirse a energías superiores a 10 19 GeV. Estas energías se acercan a la temperatura en la primera parte del Big Bang. Los físicos se esfuerzan por construir aceleradores de partículas que puedan alcanzar estas temperaturas. El acelerador de partículas más grande es el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Ginebra, Suiza. Cuando se conecta, será capaz de acelerar protones al 99,99 por ciento de la velocidad de la luz y alcanzar energías de colisión de 14 tera-electronvoltios o 14 TeV, que es igual a 14, 000 GeV o 1,4 x 10 4 GeV.
Si los físicos pueden demostrar que las cuatro fuerzas fundamentales provienen de una fuerza unificada cuando el universo se enfrió por el Big Bang, ¿Cambiará eso tu vida diaria? Probablemente no. Sin embargo, avanzará nuestra comprensión de la naturaleza de las fuerzas, así como los orígenes y el destino del universo.
