"LAS 4 FUERZAS FUNDAMENTALES Y EL BOSON DE GAUGE"

Este articulo lo subdividí en varias partes que subiré cada determinado tiempo espero no tardar tanto disfruten la primera parte.

Por lo menos en alguna ocasión de nuestra vida hemos escuchado hablar de 4 fuerzas muy famosas la Fuerza  Nuclear Fuerte, la Fuerza Nuclear Débil, la Fuerza de Gravedad y la  Fuerza Electromagnética que en conjunto rigen nuestro Universo.Generalmente a estas se les conoce como "Fuerzas Fundamentales" o "Interacciones Fundamentales" y es gracias a ellas que el Universo desde lo mas grande hasta lo mas pequeño puede funcionar en una perfecta armonía .

Las 4 Fuerzas Fundamentales

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 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. Pero vamos a conocer de una manera mas detallada estas fuerzas.

FUERZA DE GRAVEDAD

La primera fuerza es una que nos enseñan desde pequeños es la gravedad y de la que nos dicen que es responsable de mantenernos sobre la tierra sin salir desperdigados al espacio,pero la gravedad es mas que eso,si lo vemos desde un punto de vista mas grande la fuerza de gravedad origina los movimientos a gran escala que se observan en el universo: la órbita de la Luna alrededor de la Tierra, las órbitas de los planetas alrededor del Sol, etcétera. A escala cosmológica es la interacción dominante, pues gobierna la mayoría de los fenómenos de grandes dimensiones.

Orbita de la Luna alrededor de la Tierra

Todos conocemos la historia de como se descubrió la gravedad  cuenta la la leyenda que un día Newton sentado bajo un árbol pensado quizás en algún problema matemático siente sobre su cabeza cae una manzana,como buen científico comienza a buscar respuestas del por que cayo sobre el la manzana.Mas tarde explicare que la manzana al igual que los objetos caen debido a la existencia de una fuerza muy poderosa a la que llamo Gravedad el conjeturo que la misma originaba una aceleración constante en estos cuerpos mientras caían. Esto marco una revolución en la física de aquellos días ya que con las nuevas ideas de Newton se pudo explicar de manera precisa el movimiento de los planetas y si establecieron nuevas leyes que dieron origen a la Mecanica Newtoniana.

LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL

Sin duda alguna las nuevas ideas propuestas por Newton fueron dignas de su genio indiscutible pero lo que lo catapulto como una de las mentes mas grandes que existió fue una ley que describía de manera cuantitativa la fuerza con la que que 2 cuerpos con masa se atraían que lleva por nombre LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL.Así en 1687 Newton dedujo que la fuerza con que se atraen dos cuerpos de diferente masa únicamente depende del valor de sus masas y del cuadrado de la distancia que los separa. También se observa que dicha fuerza actúa de tal forma que es como si toda la masa de cada uno de los cuerpos estuviese concentrada únicamente en su centro, es decir, es como si dichos objetos fuesen únicamente un punto, lo cual permite reducir enormemente la complejidad de las interacciones entre cuerpos complejos.Otro punto importante es que este tipo de ley es de inverso cuadrado esto quiere decir que los efectos de atracción van a ser mas notorios depende que tan alejado o cerca estén los cuerpos uno del otro.

“La fuerza ejercida entre dos cuerpos de masas m1 y m2 separados una distancia r es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”

La constante G que aparece en la formula es un coeficiente de proporcionalidad cuyo valor Newton no determino.El valor de G fue obtenido mas tarde por Henry Cavendish en 1798 que despues de repetidas mediciones obtuvo el siguiente valor:

                         

Henry Cavendish

Para calcular este valor Cavendish llevo a cabo un ingenioso experimento con una balanza de torsión que fue inventada primeramente por Coulomb,quien formulo la ley fundamental,para ángulos pequeños,el angulo girado es proporcional al par aplicado.El propio Coulomb utilizo su balanza para establecer la ley fundamental de la electrostática (1785).Unos años mas tarde Henry Cavendish midió por primera vez la costante de gravitación universal con una balanza de torsión semejante a la usada por Coulomb. En esta medicion la constante se determina a partir del angulo girada por el hilo que sostiene un sistema constituido por 2 varillas en cuyos extremos se han dispuesto dos esferas idénticas cuando se les acercan otras 2 grandes esferas de plomo dispuestas en los extremos de otro sistemas de varillas.

Balanza de torsion de H.Cavendish

Con el valor de la constante G ya bien definido,la ley de gravitación al fin estaba completa.Lo hermoso de esta ley es que se pudieron calcular diferentes problemas, en especial aquellos referentes al movimiento planetario de ahi radica su importancia.También gracias a ella se pudo calcular la masa de la tierra.

CALCULO DE LA MASA DE LA TIERRA A PARTIR DE LA LEY DE GRAVITACIÓN UNIVERSAL DE NEWTON

Conociendo la constante de gravitación y el radio de la Tierra(el radio aproximado de la tierra es de 6370 km considerando a la Tierra como una esfera perfecta ) es posible calcular la masa de nuestro planeta a partir de la aceleración de la gravedad.Es decir si nosotros consideramos un cuerpo en caída libre sabemos que caerá con un aceleración igual a  9.8 m/s,este así mismo tiene una masa "m" y formual que relaciona ambos conceptos es:

Esta formula nos ayuda a determinar el peso de un cuerpo,pero de una manera mas formal se puede decir que el peso es el valor de la fuerza con la que la tierra atrae a un cuerpo con masa "m" muy proximo a su superficie provocando en el una aceleración y la formula la podemos escribir asi:

Pero siendo esa fuerza consecuencia de la atracción gravitatoria debe ser:

Igualamos amabas ecuaciones:

Eliminamos términos semejantes:

Y la ecuación se reescribe a :

Despejamos :

Acomodando términos  finalmente nos queda:

Y con esta ecuación es que nosotros podemos calcular la masa de la tierra.Un dato importante es que "G" es una constante por lo tanto su valor no varia ademas es un escalar ,mientras que "g" no es una constante por  tanto varia y es un vector. Con estas ideas Isaac Newton se consagro como un científico excepcional de haber existido el premio nobel en aquellos días no dudo que se lo hubiera ganado y no solo por esto si no tambien por las aportaciones matemáticas al Calculo pero esa es otra historia.

Pero dejando a un lado todo esto había un secreto que escondía Newton un secreto muy bochornoso.Con su ley el logro determinar como era la fuerza con que 2 cuerpos con masa se atraían como consecuencia de la gravedad,pero el no sabia como funcionaba la gravedad. Simplemente no entendía si funcionaba de manera espontanea o si había algo mas ahí.Como no consiguió respuesta  decidió dejarlo así y por mas de 200 años esta duda no fue respondida ,hasta que un joven alemán de una oficina de patentes encontró la respuesta con un concepto innovador llamado RELATIVIDAD ,refutando completamente completamente las ideas de Newton sin importarle que se enfrentara en aquel momento al Dios de la física.El hombre de quien les hablo bien conocido por todos es ALBERT EINSTEIN. De el y sus descubrimientos les hablare en la siguiente entrada hasta la próxima.

Les dejo un documental para que entiedan mejor esto y tengan una breve introducción a la RELATIVIDAD.

                  " SI HE VISTO MAS LEJOS ES POR QUE ME HE PARADO SOBRE HOMBROS DE GIGANTES"....ISAAC NEWTON

EL NEUTRINO

¿Alguna vez han escuchado hablar de los Neutrinos?....si no es así pues permítanme decirles que ellos si han hablado de ustedes con algunas otras partículas. Al igual que los Rayos Cósmicos estas partículas nos bombardean a diario incluso en este momento mientras ustedes leen  esto, hay Neutrinos pasando a través de su cuerpo , no podemos sentirlos debido a que su escases de masa no les permite interactuar del todo bien con la materia de nuestros cuerpos. Hace no mucho tiempo en 2011 se pensó que estos viajaban más rápido que la luz que llevo a grandes discusiones científicas poniendo en riesgo las leyes de la relatividad de Einstein…pero basta de rodeos veamos que es un NEUTRINO. 

El nombre Neutrino (pequeño neutron) fue acuñado hace tiempo atrás por uno de los científicos mas brillantes del mundo un italiano llamado Enrico Fermi ,estas partículas subatomicas  son del tipo fermionico y que quiere decir esto?? . Bueno hay que recordar que existen 2 formas en la naturaleza de clasificar a las particulas en fermiones y bosones siendo el spin que tienen la diferencia principal que existen entre ellas. Los bosones tienen un espin de (0,1,2) mientras que los fermiones tiene un spin de 1/2 ,el Neutrino posee un spin de esa magnitud por lo tanto pertence a la familia de los fermiones.

Otras características importantes de los Neutrinos es que no poseen carga, pero si una masa de 5.5 Gv/c que equivale aproximadamente a la milmillonésima parte de la masa de un átomo de hidrógeno pero aunque sea pequeña las implicaciones de esto son grandes ya que en el sistema en cual el Neutrino actúa, su masa es fundamental para mantenerlo en equilibrio. Como mencione al principio a finales de 2011 un experimento llevado a cabo en el CERN, revelo la posibilidad de que los Neutrinos viajaran más rápido que la luz afortunadamente para Einstein al volver a revisar los datos y el realizar de nuevo el experimento se comprobó que los Neutrinos en cuestión si viajaban a velocidades próximas a la luz pero no más rápido. Y bueno por lógica esto es imposible según la teoría de la relatividad, ya que afirma que conforme un cuerpo se desplace mas rápido en el tiempo y espacio su masa incrementara en proporción a la velocidad que alcanza requiriendo más y más energía para viajar una energía que debe de ser infinita para romper la barrera de la luz, como el Neutrino tiene masa le imposibilita romper dicha barrera.

Como la masa del neutrino es muy pequeña, la interacción que tienen con la materia es casi nula , es decir pasa a través de ella sin perturbarla ,tienen un comportamiento parecido a los fotones solo que estos no tienen masa por eso viajan a la velocidad de la luz y son consideradas partículas de interacción. Las 4 fuerzas fundamentales juegan igual un rol de importancia en su vida, la fuerza electromagnética e interacción nuclear fuerte no afectan al neutrino mientras  la gravedad y la interacción nuclear débil si lo hacen.

Bueno estas son algunas de las características esenciales del Neutrino, pero quien fue su descubridor? La existencia de esta partícula fue propuesta en 1930 por un físico de nombre Wolfgang Pauli ya que al estar estudiando la desintegración beta, se percató que existía una cierta pérdida de energía y momento lineal en dicho proceso y la única forma en la cual se podía compensar este perdida era si se consideraba una partícula hipotética que no tuviera masa, carga e interacción nuclear fuerte. A pesar de que hoy en día se sabe que el neutrino tiene masa no quiere decir que la idea de Pauli está mal, sino todo lo contrario ya que con el hecho de solo tenerla posibilita que se lleve a cabo un proceso llamado OSCILACION DE NEUTRINOS en cual se producen transformaciones entre los tres tipos de Neutrinos que existen (Electronico, Muonico,Taunico).

La fórmula que se muestra a continuación es de la desintegración Beta ya con la consideración del neutrino.

Wolfgang Paulli

Lamentablemente los medios tecnológicos de esa época no permitieron comprobar su existencia, por lo cual se mantuvo por más de 25 años como una hipótesis y bueno poder captarlos de una forma natural es difícil como ya mencionamos antes debido a su poca interacción con la materia. Cálculos realizados  han revelado que se necesitaría de una banda de plomo del tamaño de un año luz (9.25 billones de km) para poder detectar un pequeño porcentaje de estos.

No fue hasta 1956 cuando se llevó acabo un experimento en el cual se bombardearon átomos de agua con un cierta cantidad de neutrones a este experimento se le llamo "EXPERIMENTO DEL NEUTRINO" y pues efectivamente se comprobo su existencia (Neutrino Electronico) gracias a Clyde Cowan y Frederick Reines. Más tarde en 1987 Lederman, Schwartz, y Steingerberg decubrieron los 2 neutrinos restantes (Muonico y Taunico).

La masa que contiene el Neutrino se le considera como masa caliente no relativista debido a que casi es nula buen aunque en la mayoría de los casos así se toma como nula. Hace algún tiempo se llego a pensar que esta partícula era fundamental en la famosa para la existencia de la materia oscura(de la cual hablaremos en otra ocasion) de nueva cuenta lo  diminuto de su masa hizo que se descartara esta posibilidad.

Materia Oscura

LOS NEUTRINOS Y EL SOL

La principal fuente de Neutrinos es el Sol  y se producen debido a las reacciones nucleares en su interior (Neutrinos nucleares) como su interacción con la materia es insignificante viajan con facilidad a través del sol llegando todos los días a la tierra. Pero claro esta que esta no es la única forma de que se produzcan también  es por medio de la absorción de la energía generada por la desintegración beta y a los Neutrinos obtenidos por medio de este proceso se les conoce como Neutrinos térmicos. Recordaremos aquella película 2012 donde supuestamente los Neutrinos provenientes del solo por primera vez producen una reacción física en la tierra provocando un cataclismo debido a la desestabilización de la corteza y bueno por suerte tan solo eso se quedó como un hecho de ficción.

Los Neutrinos se pueden generar también de manera artificial en la centrales nucleares así como también en la tierra  debido a le desintegración de ciertas partículas radiactivas y a estos se les conoce como GEONEUTRINOS  y proporcionan información muy valiosa del interior de la tierra.

Y con esto nuestro viaje al mundo de los Neutrinos termina claro esta que hay mucho mas información..pero en lineas generales esto es lo mas relevante de estas exuberantes partículas espero haya sido de su agrado. En la parte de abajo les dejo unos vídeos de los Neutrinos ,asi como una frase celebre de las Fisica o bien Matematicas...no olviden comentar y suscribirse hasta la proxima.

“Lo más maravilloso de la ciencia es que está viva.”

Richard Phillips Feynman 

"EL ENTRELAZAMIENTO CUANTICO"

Hola que tal amigos....espero se encuentren muy bien, el día de hoy les traigo una nueva entrada referente a un tema de la Mecánica Cuántica que por muchos años....se trato mas de una cuestión filosófica que física...este tema del cual les hablo lleva por nombre "ENTRELAZAMIENTO CUÁNTICO" un concepto con el cual tanto Einstein , Podolsky y Rosen trataban de explicar que la Mecánica Cuántica a pesar de tener una matemática exquisita y ser una física impresionante lamentablemente al menos para ellos esta estaba incompleta. Tuvieron que pasar algunos años para que se volviera a retomar esta idea y comprobar finalmente si las ideas de estos 3 personajes eran correctas.

                                                                           

En entrelazamiento es un fenómeno cuántico, sin equivalente clásico, en el cual los estados cuánticos de dos o más objetos se deben describir mediante un estado único que involucra a todos los objetos del sistema, aún cuando los objetos estén separados grandes distancias. Esto lleva a correlaciones entre las propiedades físicas observables. Por ejemplo, es posible preparar (enlazar) dos partículas en un solo estado cuántico de espín nulo, de forma que cuando se observe que una gira hacia arriba, la otra automáticamente recibirá una "señal" y se mostrará como girando hacia abajo, pese a la imposibilidad de predecir, según los postulados de la mecánica cuántica, qué estado cuántico se observará.

En otras palabras el concepto de entrelazamiento cuántico nos establece que en un sistema formado esencialmente  por de partículas gemelas A y  B (ambas con sus respectivos estados cuanticos) estas se encuentran entrelazadas, de tal modo que cualquier medición o cambio en la partícula A afectara  el estado cuántico de la partícula B el cual no existía previamente si no hasta el cambio efectuado en A...de cierto modo no podríamos determinar con certeza el estado cuantico de B hasta poder observarlo...para entender esto veamos el siguiente ejemplo : Supongamos que A y B son electrones ambos con un determinado spin...imaginemos que  el electrón A esta en la Ciudad de México...con su spin apuntando en dirección de las manecillas del reloj y el electrón B se encuentra en la Luna...de este no se concretamente como este orientado su spin puede estar...en la misma dirección que el de A o diferente o en alguna otra posición extraña...probablemente puede estar en estas 3 formas ,pero no se con seguridad en cual por que en ese momento no existe el estado cuantico que me determine eso es decir no puedo predecirlo . Lo que si se es que en cuanto observe el spin A inmediatamente el spin de B cambiara por que asi lo establecen las leyes de la Mecanica Cuantica ...el punto importante aquí es que vemos que existe una relación entre ambos electrones a pesar de estar separados a distancias enormes .es decir uno con el otro están entrelazados..esto para Einstein por su puesto era erróneo vamos a ver por que.

DATOS HISTÓRICOS

Como nosotros sabemos la mecánica cuántica establece que es imposible conocer, al mismo tiempo y con precisión, ciertos datos de una partícula. Por ejemplo, o conocemos su velocidad o su posición, pero no ambas a la vez. Otra extraña característica es que por el mero hecho de observar la partícula, ésta toma cierta propiedades. Es decir, la partícula no tiene unas características definidas justo antes de observarla, sino que las toma precisamente porque la observamos. Y además, sus propiedades se definen al azar, no están "programadas". Puede tomar unas u otras, y no podemos predecir qué sucederá. Sólo podemos predecir la probabilidad de que algo suceda o no.

 

Esto chocaba con el universo armónico y ordenado de Einstein, donde "Dios no juega los dados" y el azar no existe. Nuestra ignorancia hace que no podamos predecir qué sucederá. Por tanto, si la teoría cuántica no ofrece respuestas, es porque está equivocada o incompleta. El entrelazamiento cuántico fue en un principio planteado por sus autores (Einstein, Podolsky y Rosen) como un argumento en contra de la mecánica cuántica, en particular con vistas a probar su incompletitud puesto que se puede demostrar que las correlaciones predichas por la mecánica cuántica son inconsistentes con el principio del realismo local, que dice que cada partícula debe tener un estado bien definido, sin que sea necesario hacer referencia a otros sistemas distantes.

           

Basándose en ese concepto de del Realismo Local , Einstein y compañía decidieron llevar acabo un experimento con el cual pretendían comprobar su teoría..este experimento comúnmente se le conoce como "EPR"(Einstein-Podolsky-Rosen) el cual consistía en considerar un sistema formado por 2 partículas gemelas y medir  al mismo tiempo velocidad y posición de una partícula sin observarla directamente, para no contaminar el resultado.Si medimos la velocidad de una, sabremos la de la otra, puesto que es la misma. No influímos en el resultado, pues no hemos observado a la segunda partícula directamente. Así conocemos la velocidad exacta de la segunda partícula. Después medimos la posición en la segunda partícula y obtenemos la de la primera sin necesidad de observarla, ya que ambas están equidistantes del punto inicial en direcciones opuestas.

 

Si medimos la velocidad de una, sabremos la de la otra, puesto que es la misma. No influímos en el resultado, pues no hemos observado a la segunda partícula directamente. Así conocemos la velocidad exacta de la segunda partícula. Después medimos la posición en la segunda partícula y obtenemos la de la primera sin necesidad de observarla, ya que ambas están equidistantes del punto inicial en direcciones opuestas. Los datos obtenidos serán objetivos.

         

Esto entonces planteo un gran problema para ambos lados...ya que era difícil con tan poderosos argumentos dar un ganador , es por ello que por mucho tiempo esto se volvió algo filosófico asi como el dilema del huevo y la gallina...tuvo que pasar algo de tiempo para que experimentalmente se supiera quien estaba en lo correcto...bueno para ser exactos fue en los años 60 cuando el físico norirlandés John S. Bell cambio el panorama de esto y gracias a sus ideas finalmente se pudo comprobar que la Mecánica Cuántica era la ganadora en esta competición. Paro poder determinar esto se utilizo una maquina que utilizo un par de fotones polarizados tanto horizontalmente como verticalmente...se planteo el estado cuántico de ambos (en términos de su dirección)...sin saber obviamente que cambio se presentaría en el segundo al manipular el primero...el resultado fue bastante sorprendente pues al medir y aplicar cierto cambio en el foton A así mismo cambio el estado cuántico (hay que tomar en cuenta que el nuevo estado cuántico de B no se supo hasta después de llevar acabo la medición por que este estado no existía previamente) B....En otras palabras: lo que le ocurra a uno de los dos fotones influirá de forma instantánea a lo que le ocurra al otro entonces estaban entrelazdos, dado que sus distribuciones de probabilidad están indisolublemente ligadas con la dinámica de ambas. Este hecho, que parece burlar el sentido común, ha sido comprobado experimentalmente, e incluso se ha conseguido el entrelazamiento triple, en el cual se entrelazan tres fotones.

John S. Bell

Esto es el entrelazamiento cuántico o conexión cuántica. Dos partículas que, en algún momento estuvieron unidas, siguen estando de algún modo relacionadas. No importa la distancia entre ambas, aunque se hallen en extremos opuestos del universo. La conexión entre ellas es instantánea...relación que donde sea que se encuentre Einstein en este momento a de seguir dudando.

Experimento de John S. Bell

¿POR QUE ES IMPORTANTE EL ENTRALAZAMIENTO CUANTICO?

Hoy en día se buscan aplicaciones tecnológicas para esta propiedad cuántica. Una de ellas es la llamada teleportación de estados cuánticos, si bien parecen existir limitaciones importantes a lo que se puede conseguir en principio con dichas técnicas, dado que la transmisión de información parece ir ligada a la transmisión de energía (lo cual en condiciones superlumínicas implicaría la violación de la causalidad relativista).

 Es preciso entender que la teleportación de estados cuánticos está muy lejos de parecerse a cualquier concepto de teleportación que se pueda extraer de laciencia ficción y fuentes similares. La teleportación cuántica sería más bien un calco exacto transmitido instantáneamente (dentro de las restricciones impuestas por el principio de relatividad especial) del estado atómico o molecular de un grupo muy pequeño de átomos. Piénsese que si las dificultades para obtener fuentes coherentes de materia leptónica son grandes, aún lo serán más si se trata de obtener fuentes coherentes de muestras macroscópicas de materia, no digamos ya un ser vivo o un chip con un estado binario definido, por poner un ejemplo.

 El entrelazamiento es la base de tecnologías en fase de desarrollo, tales como la computación cuántican  o la criptografía cuántica, y se ha utilizado en experimentos de teleportación cuántica.

Bueno esto fue todo por hoy colegas espero les guste la información y por favor no olvide comentar  abajo les dejo un documental que habla mas a fondo de esto espero les agrade.....hasta la próxima.

“No es contrario a la física, simplemente es improbable”

Richard Phillips Feynman