Interacciones fundamentales

Cuadro explicativo de las 4 fuerzas fundamentales.

En física de partículas, se denomina fuerza fundamental a cada una de las clases de interacciones[Nota 2]​:

  1. Fuerzas nucleares
  2. Fuerzas electromagnéticas
  3. Fuerzas débiles (Interacciones de decaimiento)
  4. Fuerzas de gravedad

Las primeras incluyen a las fuerzas que mantienen a los núcleos atómicos unidos, la interacción de los nucleones con los mesones pi y a la producción de partículas extrañas. En general abarca las interacciones entre hadrones.[2]

Las fuerzas electromagnéticas son ampliamente conocidas.

Las fuerzas débiles son responsables de la desintegración beta, decaimiento pi mu, decaimiento mu electrón.

Las fuerzas de gravedad son tan débiles a escalas nucleares que son despreciables en los experimentos actuales.

Las teorías de campo gauge explican tanto a las partículas fundamentales como sus interacciones. Las primeras, explicadas como campos cuánticos relativistas, son representaciones de ciertos operadores de carga que se corresponden con la carga gravitacional, spin, sabor, color, carga eléctrica y demás; mientras que las fuerzas fundamentales son las fuerzas de atracción y repulsión entre estas cargas.[3]

Por otro lado, de acuerdo a la teoría general de la relatividad, las interacciones son debidas a la interacción de la energía con la topología del espacio-tiempo. Hasta el momento, tanto la descripción de la gravedad como un campo gauge como la explicación de las interacciones como topologías han sido infructuosas[ cita requerida].

Casi toda la historia de la física moderna se ha centrado en la unificación de estas interacciones[5]​ 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 unificada con la gravedad.

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.[6]

Las cuatro interacciones fundamentales[7]
Propiedad/Interacción Gravitatoria Débil Electromagnética Fuerte
(Electrodébil) Fundamental Residual
Actúa sobre: Masa - Energía Sabor Carga eléctrica Carga de color Núcleos atómicos
Partículas que la experimentan: Todas Quarks, leptones con carga eléctrica Quarks, Gluones Hadrones
Partículas mediadoras: Ninguna
Gravitón (conjeturado)
W+ W Z0 γ (fotones) Gluones Mesones
Magnitud (a la escala de los quarks): 10-41 10-4 1 1060 No aplicable
a los quarks
Magnitud (a la escala de los protones): 10-36 10-7 1 No aplicable
a los hadrones
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Historia

La historia de la física ha ido acompañada de la idea de unificación[ cita requerida], de encontrar un conjunto de leyes simples, describan el universo. Galileo hizo una completa descripción de los efectos de la gravedad en la Tierra[ cita requerida] y Kepler describió por primera vez el movimiento planetario. Para ese momento se creía que ambos fenómenos eran distantes hasta que Isaac Newton en su Principia de 1678 los describió bajo el mismo concepto, la fuerza gravitatoria.

Por otro lado, antes del siglo XIX, varios científicos como Gray, Priestley, Coulomb y Volta habían ya descrito casi en su totalidad el fenómeno eléctrico. En 1820, Ørsted fue el primero en descubrir perturbaciones magnéticas cercanas a corrientes eléctricas. A partir de este descubrimiento los experimentos no cesaron hasta que finalmente Maxwell en 1861 fue el primero en derivar una ecuación de onda electromagnética,[8]​ quedando unificados estos otros dos fenómenos en el electromagnetismo[ cita requerida].

Con el desarrollo de la física nuclear se descubrieron dos tipos más de fuerzas a las que no se las podía incluir en las dos ya existentes, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Con el posterior desarrollo del modelo estándar se encontró a las partículas portadoras de dichas fuerzas, los bosones[ cita requerida]. Los científicos prefieren el término de interacción al de fuerza debido a que se piensa en las fuerzas como interacciones entre bosones, además de que la desintegración beta es causada por bosones W y Z de la interacción débil y ésta no es debida a la presencia de los bosones.[6]

Hasta que en 1960, Glashow, Salam y Weinberg postularon que la fuerza nuclear débil podía unificarse a la electromagnética en una sola interacción electrodébil. Estas dos interacciones a bajas energías parecen dos diferentes tipos de interacciones pero a temperaturas tan altas como las del big bang éstas corresponden a una sola[ Aclaración requerida].

En cuanto a la interacción fuerte, ésta y la electrodébil coexisten en el modelo estándar sin problemas pero se espera que las tres interacciones cuánticas puedan unificarse en una interacción electronuclear[ cita requerida]. Finalmente se cree [ ¿quién?]que una unificación total abarcaría a las cuatro interacciones pero hasta el momento no se ha encontrado una teoría contundente.

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