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Modelo estándar – Parte 1

La semana pasada estuvimos explicando Las cuatro fuerzas fundamentales que podemos encontrar en el universo. En este artículo vamos a comenzar a describir las diferentes partículas constituyentes de toda la materia que nos rodea.

Primero comentar que el El modelo estándar es el nombre que se le da a la actual teoría física que intenta explicar el funcionamiento del mundo.

Comenzamos con un pequeño esquema general intuitivo.

En general la materia que nos rodea está formada por moléculas, éstas están formadas por átomos con un núcleo donde se concentra casi toda la materia y una serie de electrones (Que tienen carga negativa) que rodean al núcleo. Dentro del núcleo encontramos protones (Que tienen carga positiva) y neutrones (Que no tienen carga). Aun podemos apurar más metiendonos dentro de los Protones y Neutrones para ver de que están formados.Dentro de los protones y neutrones encontramos Quarks.

El átomo más sencillo que se encuentra en la naturaleza es el de hidrógeno, que tiene un Protón en el núcleo y un Electrón dándole vueltas. Hay átomos mucho más complejos pero la idea básica siempre es la misma: átomos, electrones, protones, neutrones y quarks.

Existen varios tipos de quarks. Los protones están formados por dos quarks Up y un quark Down. Mientras que los neutrones están formados por dos quarks Down y un quark Up.

Pero para terminar de liarlo, por cada tipo de quark existen tres variedades. Los de color rojo, los verdes y los azules (Esto de los colores es simplemente una notación intuitiva). Pero vamos a centrarnos en las diferencias entre los quarks Up y los quarks Down. Lo más importante es que los Down tienen más masa que los Up (Es decir, tienen más energía). Ya veremos en otra ocasión el porqué de la importancia de la diferencia de masa entre los quarks Up y los quarks Down, de momento deciros que si no existiera esta pequeña diferencia de masa seguramente no existiríamos ninguno de nosotros.


Las 4 fuerzas fundamentales

Hoy en día los físicos modelan el mundo en base a cuatro fuerzas. En teoría cualquier interacción de materia en el universo se puede explicar en base a estas cuatro fuerzas. El problema es que no existe una teoría que explique el funcionamiento de todas las fuerzas, ese es el mayor reto de la física actual.

Se cree que en el momento en que ocurrió el Big Bang, solo existía una única fuerza. Y después se dividieron en 4: la gravedad, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil.

La gravedad

Es la fuerza más débil de todas pero afecta a TODA la materia del universo. Además tiene el mayor alcance de todas.

La primera teoría para definir el comportamiento de la gravedad fue formulada por Newton hace unos 300 años. Pero esta teoría es tan solo una aproximación a la realidad, entonces llegó Einstein hace poco menos de 100 años y formuló su Teoría General de la Relatividad. La teoría de Einstein es mucho más general y precisa, y está aceptada prácticamente por toda la comunidad científica.

Según las teorías actuales, la fuerza de la gravedad se genera gracias a la interacción de los gravitones. Que son unas partículas que aun no han sido detectadas, pero se cree que son las responsables de transmitir la fuerza de la gravedad.

Para comparar con las otras fuerzas vamos a definir un par de valores. Primero la Magnitud relativa, que va a ser un valor con el que definiremos la “potencia” que tiene la fuerza. Y con el Comportamiento definimos el ritmo de decrecimiento de la fuerza, donde r es la distancia. No os asustéis con estos numericos, al terminar el artículo nos serviran para comparar el alcance y la potencia de cada fuerza.

Características:

  • Magnitud relativa: 10^0
  • Comportamiento: 1/(r^2)
  • Partícula responsable: gravitón

Electromagnetismo

El electromagnetismo actúa entre partículas cargadas. Es una fuerza de bastante alcance y bastante potente. Es la fuerza que mantiene unidos los átomos de materia que vemos día a día. Además es la que actúa por ejemplo en los imanes, en la transmisión de ondas de radio, televisión, en los láseres etc.

Cada partícula cargada genera un campo (una zona) donde actúa la fuerza electromagnética


Una carga positiva y una negativa se atraen

Las bases teoría electromagnética fueron definidas por nuestro colega Maxwell, y su modelo está generalmente aceptado. Pero hoy en día se utiliza una teoría más acorde a las ideas actuales, denominada electrodinámica cuántica.

Junto con la Gravitación es la fuerza a la que más acostumbrados estamos, ya que está afectando a todo lo que vemos a nuestro alrededor. Por ejemplo, las partículas de nuestro cuerpo se mantienen unidas gracias a la fuerza electromagnética.

Características:

  • Magnitud relativa: 10^38
  • Comportamiento: 1/(r^2)
  • Partícula responsable: fotón

Si comparamos la Magnitud relativa del electromagnetismo con la gravedad vemos que es muchísimo más potente. Pero el ritmo de decrecimiento de la fuerza (Comportamiento) es el mismo.

Fuerza nuclear fuerte

Esta fuerza fuerza ya no es tan evidente como las anteriores, ya que no se puede ver a simple vista.

Supongamos que toda la materia está compuesta de átomos, y que estos átomos están compuestos fundamentalmente por protones (Tienen carga positiva) y neutrones (No tienen carga). Además, estos protones y neutrones están compuestos por unas partículas más pequeñas llamadas quarks. Para que los quarks se mantengan unidos en el núcleo de los átomos, interviene la Fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza es más potente que la Electromagnética pero su alcance es mucho menor.

Las partículas responsables en la transmisión de esta fuerza son los gluones. Los gluones hacen que los quarks se mantengan unidos y que los núcleos se los átomos sean estables.

Características:

  • Magnitud relativa: 10^40
  • Comportamiento: 1/(r^7)
  • Partícula responsable: gluón

Fuerza nuclear débil

Esta es la fuerza más complicada de entender. Vamos a intentar dar una explicación lo más sencilla posible. Se podría decir que es muy parecida a la fuerza nuclear fuerte pero mucho más débil, y además afecta a muchas más partículas subatómicas además de a los quarks.

Al interaccionar, ciertas partículas intercambian bosones, y estos bosones transmiten la fuerza nuclear débil. Esta fuerza permite que las partículas al interaccionar intercambien masa, energía, carga eléctrica y “flavor” (Ya explicaremos esto más adelante).

Según los físicos, “todo lo que no se puede explicar con las fuerzas anteriores se incluye dentro de esta fuerza”.

Características:

  • Magnitud relativa: 10^15
  • Comportamiento: 1/(r^5) hasta 1/(r^7)
  • Partícula responsable: la partícula boson W+/W- y el boson Zº


Física de partículas – Parte 1

Vamos a comenzar con la presentación de la gente que va a colaborar en este pequeño cursillo de física de partículas. Va a ser bastante complicado hacer que las explicaciones sean sencillas y que todo el mundo pueda hacerse una idea de la situación actual de la física, pero se hará todo lo posible. Haced todas las preguntas que queráis porque tendremos a unos profesores excepcionales:

  • Diego, físico italiano
  • Katy, física teórica autríaca
  • Carlos, físico teórico
  • Lorenzo, ingeniero informático


Albert, teleco experto en física cuántica y Verena, matemático-física de Harvard.


Virginia, teleco muy muy aficionada a la física de partículas.


Héctor, ingeniero informático aficionado a la ciencia en general 🙂

En cuanto saquemos un poco de tiempo tendremos la primera lección.


Coches del futuro y ondas gravitacionales

Leo en Tendencias científicas que en Cardiff van a comenzar a funcionar taxis sin conductor. Por supuesto funcionarán por unos carriles habilitados para su propósito y serán conducidos por programas de ordenador. ( Seguramente una de las técnicas para considerar lo cerca o lo lejos que están de salirse de su carril será la Lógica difusa ) La idea es bastante parecida a la de los coches y carreteras que aparecen en la película Minority Report, solo que estos cochecitos de Cardiff seguirán utilizando neumáticos para desplazarse. Aquí tenéis una foto del nuevo taxi autopilotado que comenzará a funcionar en el 2005:

El siguiente paso sería conseguir un coche volador como hemos visto en tantas películas. Para ello se puede utilizar tecnología actual tal y como está haciendo un ricachón visionario llamado Doctor Moller. Su empresa ha desarrollado un coche volador que despega y aterriza verticalmente utilizando técnicas similares a las usadas por los aviones Harrier americanos. Por 1 millón de dólares os podéis hacer con uno, el problema es que no está permitido volar con este aparato sobre ningún país del mundo (El tito Moller está puteado con este tema). Aquí una foto del último prototipo, en su web encontraréis fotos de algunas demostraciones reales.

Pero el avance que realmente sería revolucionario sería desarrollar una tecnología para poder controlar la gravedad. Seguramente la palmemos todos antes de verlo hecho realidad (Ojalá me equivoque), porque queda mucho camino por recorrer. El funcionamiento de un aparato que pudiera controlar la gravedad sería parecido al monopatín o al coche de Regreso al futuro. Para conseguir esto, el primer paso sería detectar los Gravitones que son las partículas que generan generan la gravedad según la teoría cuántica. Estas partículas generan ondas gravitacionales que se supone atraviesan toda la materia del universo (Ahora mismo te están atravesando ondas gravitacionales que hacen que estés bien pegadito a la silla leyendo esto).

Las ondas gravitacionales aun no han sido detectadas nunca por los humanos, pero su existencia fue predecida por Einstein como consecuencia de su teoría de la relatividad general. Según la teoría de la relatividad, la fuerza atractiva que llamamos gravedad existe porque la masa de los cuerpos deforma el universo tetradimensional (Espacio-Tiempo). Si un objeto denso se mueve violentamente, el espacio tiembla (Ya se que esto es muy rayante pero esto si que está demostrado y comprobado).

Esto que acabáis de leer puede parecer una paranoia a ojos de un inexperto pero hoy en día se gastan miles de millones de dólares para construir detectores de éstas ondas. El problema es que las ondas que generan objetos poco masivos son muy muy débiles, lo que se intenta es poder detectar las ondas emitidas por un choque de dos agujeros negros o fenómenos parecidos. Aún así cuando llegan a la tierra según los cálculos estas ondas son tan débiles que su amplitud de onda es del orden del tamaño de un átomo. Lo complicado entonces es construir detectores que puedan discriminar el ruido. Actualmente están en pruebas 6 centros que intentan detectar estas ondas a lo largo del mundo. El LIGO es el más importante, pero están teniendo muchos problemas con el ruido. Por eso la NASA y la ESA se han unido en un proyecto (LISA) para lanzar 3 satélites en el 2011 para intentar detectar las ondas gravitacionales eliminando así el ruido que genera la superficie terrestre.

Si conseguimos entender la naturaleza de la gravedad quizás podamos comenzar a construir coches voladores como los de las pelis. ¿Creando motores que generen ondas gravitacionales?

Por cierto, hay una subasta en ebay de una réplica del coche de Regreso al futuro. Eso sí, aún no vuela como el de la peli 😉