HISTORIA DEL TIEMPO
(Del Big Bang a los Agujeros Negros)
Stephen Hawking
Capítulo 5: LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES Y LAS
FUERZAS DE LA NATURALEZA (Páginas 100- 107)
Las partículas portadoras de fuerza no obedecen
el principio de exclusión. Esto significa que no existe un límite al número de partículas
que se pueden intercambiar, por lo que pueden dar lugar a fuerzas muy intensas.
No obstante, si las partículas portadoras de fuerza poseen una gran masa, será
difícil producirlas e intercambiarlas a grandes distancias. Así las fuerzas que
ellas transmiten serán de corto alcance. Se dice que las partículas portadoras
de fuerza que se intercambian entre sí las partículas materiales, son
partículas virtuales porque, al contrario que las partículas “reales”, no
pueden ser descubiertas directamente por un detector de partículas. Cuando un
electrón se cruza con otro, se pueden producir fotones reales, que detectamos
como ondas luminosas.
Las partículas portadoras de fuerza se pueden
agrupar en cuatro categorías, de acuerdo con la intensidad de la fuerza que
trasmiten y con el tipo de partículas con las que interactúan. Esta división en
cuatro clases es una creación artificiosa del hombre. La mayoría de los físicos
esperan encontrar una teoría unificada que explicará las cuatro fuerzas, como
aspectos diferentes de una única fuerza. En verdad, muchos dirían que éste es
el objetivo principal de la física contemporánea. Recientemente, se han
realizado con éxito diversos intentos de unificación de tres de las cuatro categorías
de fuerza.
La primera categoría es la fuerza gravitatoria.
Esta fuerza es universal, en el sentido de que toda partícula la experimenta,
de acuerdo con su masa o energía. La gravedad es la más débil, con diferencia,
de las cuatro fuerzas; es tan débil que no la notaríamos en absoluto si no
fuera por dos propiedades especiales que posee: puede actuar a grandes
distancias, y es siempre atractiva. La fuerza gravitatoria entre el sol y la
Tierra se atribuye al intercambio de gravitones entre las partículas que forman
estos dos cuerpos. Aunque las partículas intercambiadas son virtuales, producen
ciertamente un efecto medible: ¡hacen girar a la Tierra alrededor del Sol! Los
gravitones reales constituyen lo que los físicos clásicos llamarían ondas
gravitatorias que son muy débiles, y tan difíciles de detectar que aún no han sido observadas.
La siguiente categoría es la fuerza
electromagnética, que interactúa con las partículas cargadas eléctricamente,
como los electrones y los quarks, pero no son las partículas sin carga, como
los gravitones. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria: la fuerza
electromagnética entre dos electrones es aproximadamente un millón de billones
de billones de billones (un 1 con 42 ceros detrás) de veces mayor que la fuerza
gravitatoria. Sin embargo, hay dos tipos de carga eléctrica, positiva y
negativa. La fuerza entre dos cargas positivas es repulsiva, al igual que la
fuerza entre dos cargas negativas, pero la fuerza es atractiva entre una carga
positiva y una negativa. Un cuerpo grande, como la Tierra o el Sol, contiene
prácticamente e mismo número de cargas positivas y negativas. Así, las fuerzas
atractiva y repulsiva entre las partículas individuales casi se cancelan entre
sí, resultando una fuerza electromagnética
neta muy débil. Sin embargo, a distancias pequeñas, típicas de átomos y
moléculas, las fuerzas electromagnéticas dominan. La atracción electromagnética
entre los electrones cargados negativamente y los protones del núcleo cargados
positivamente hace que los electrones giren alrededor del núcleo del átomo,
igual que la atracción gravitatoria hace que la Tierra gire alrededor del Sol.
La atracción electromagnética se representa causada por el intercambio de un
gran número de partículas virtuales sin masa de espín 1, llamadas fotones. De
nuevo, los fotones que son intercambiados son partículas virtuales. No
obstante, cuando un electrón cambia de una órbita permitida a otra más cercana
al núcleo, se libera energía emitiéndose un fotón real, que puede ser observado
con luz visible por el ojo humano, siempre que posea la longitud de onda
adecuada, o por un detector de fotones, tal como una película fotográfica.
Igualmente, si un fotón real colisiona con un átomo, puede cambiar a un
electrón de una órbita cercana al núcleo
a otra más lejana. Este proceso consume la energía del fotón, que, por lo
tanto, es absorbido.
La Tercera categoría es la llamada fuerza
nuclear débil, que es la responsable de la radioactividad. La fuerza nuclear
débil no se comprendió bien hasta 1967, en que Abdus Salam y Steven Weinberg, propusieron
una teoría que unificaba esta interacción con la fuerza electromagnética, de la
misma manera que Maxwel había unificado la electricidad y el magnetismo unos
cien años antes. Sugirieron que además del fotón había otras tres partículas de
espín 1, conocidas colectivamente como bosones vectoriales masivos, que
transmiten la fuerza débil. La teoría de Weinberg-Salam propone una propiedad conocida
como ruptura de simetría espontánea, es decir, que lo que, a bajas energías,
parece ser un cierto número de partículas totalmente diferentes es, en
realidad, el mismo tipo de partícula, sólo que en estados diferentes. A altas
energía todas estas partículas se comportan de manera similar.
A energías más bajas, que se dan en la mayoría
de las situaciones normales, esta
simetría entre las partículas se rompería. Sheldon Glashow, había sugerido una teoría
similar de unificación de las fuerzas electromagnéticas y nucleares débiles.
La cuarta categoría de fuerza es la interacción
nuclear fuerte, que mantiene a los quarks unidos en el protón y el neutrón, y a los protones y
neutrones juntos en los núcleos de los átomos. La interacción nuclear posee una
curiosa propiedad llamada confinamiento: siempre liga a las partículas en
combinaciones tales que el conjunto total no tiene color. No se puede tener un
único quark aislado porque tendría un color. Tales combinaciones forman las
partículas conocidas como mesones, que son inestables porque el quark y el
antiquark se pueden aniquilar entre sí, produciendo electrones y otras
partículas.
Existe otra propiedad de la interacción nuclear
fuerte, llamada libertad asintótica, que hace que los conceptos de quark y de
gluón estén bien definidos. A energías normales, la interacción nuclear fuerte
es verdaderamente intensa y une a los quarks entre sí fuertemente. Sin embargo,
experimentos realizados con grandes aceleradores de partículas indican que a altas energías la interacción fuerte se hace
mucho menos intensa, y los quarks y los gluones se comportan casi como
partículas libres.
La idea básica de las TGU (Teorías de gran
unificación) es la siguiente: la interacción nuclear fuerte se hace menos intensa
a altas energías; por el contrario, os fuerzas electromagnéticas y débiles, que
no son asintóticamente libres, se hacen más intensas a altas energías. A
determinada energía muy alta, llamada energía dela gran unificación, esas tres fuerzas
deberían tener todas la misma intensidad y sólo ser, por tanto, aspectos
diferentes de una única fuerza. Las TGU
predicen, además, que a esta energía las diferentes partículas materiales de
espín ½ como los quarks y los electrones, también serían esencialmente
iguales,. Y se conseguiría así otra unificación.
El valor de la energía de la gran unificación
no se conoce demasiado bien, pero probablemente tendría que ser como mínimo de
mil billones de Ge V. La generación actual de aceleradores de partículas puede
hacer colisionar partículas con energías de aproximadamente 100 Ge V, y están
planeadas unas máquinas que elevarían estas energías a unos pocos de miles de
Ge V. Pero una máquina que fuera lo suficientemente potente como para acelerar
partículas hasta la energía de la gran unificación tendría que ser tan grande
como el sistema solar. Así es imposible comprobar las teorías de gran
unificación directamente en el laboratorio. Sin embargo, existen consecuencias
a baja energía de la teoría que sí pueden ser comprobadas.
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