Interaccions fonamentals

Interaccions fonamentals

Quadro explicatiu de les quatre forces fonamentals.

En física, es denomina força fonamental o interaccions físiques a cada una de les classes d'interaccions entre les partícules subatòmiques, a saber:

• Interacció nuclear forta
• Interacció electromagnètica
• Interacció nuclear dèbil (interaccions de decaiguda)
• Interacció gravitatoria

La primera inclou les forces que mantenen els núcleus atòmics units, l'interacció dels nucleones en els posades pi i la producció de partícules estranyes. En general comprenen les interaccions entre hadrones i protones.

Les interaccions electromagnètiques tenen lloc entre partícules en càrrega elèctrica, actuant tant en cossos en repòs respecte a l'observador (interacció electrostàtica), com en moviment (interacció magnètica), i unificades en general com una interacció de mateixa naturalea.

Les interaccions dèbils són responsables de la desintegració beta, decaiguda pi mu i decaiguda mu electró.

Les forces gravitatorias són les causants de fenomens com el moviment dels planetes i satèlits, les galàxies, la formació d'estreles, entre uns atres. És de les quatre interaccions fonamentals la més dèbil, i de naturalea únicament actractiva.

Les teories de camp gauge expliquen tant les partícules fonamentals com les seues interaccions. Les primeres, explicades com a camps quàntics relativistes, són representacions de certs operadors de càrrega que es corresponen en la càrrega gravitacional, spin, càrrega elèctrica i demés, mentres que les forces fonamentals són les forces d'atracció i repulsió entre estes càrregues.

Per un atre costat, d'acort en la teoria general de la relativitat, les interaccions són degudes a l'interacció de l'energia en la topología de l'espai-temps. Fins al moment, tant la descripció de la gravetat com un camp gauge, com l'explicació de les interaccions com a topología, han segut infructuoses.

Casi tota l'història de la física moderna s'ha centrat en l'unificació d'estes interaccions i fins ara l'interacció dèbil i l'electromagnètica s'han pogut unificar en el marc teòric conegut com model electrodébil. Per la seua banda, l'unificació de l'interacció forta en dit model electrodébil és el motiu de tota la teoria de la gran unificació. I finalment, la teoria del tot conciliaria aquella en l'interacció gravitatoria.

La comunitat científica preferix el nom d'interaccions fonamentals al de forces degut a que en eixe terme es pot referir tant a les forces com a les decaigudes que afecten a una partícula donada.

Les quatre interaccions fonamentals

Propietat/Interacció	Gravitatoria	Dèbil	Electromagnètica	Fort
		(Electrodébil)		Fonamental	Residual
Actua sobre:	Massa - Energia	Sabor	Càrrega elèctrica	Càrrega de color	Núcleus atòmics
Partícules que l'experimenten:	Totes	Quarks, leptones	en càrrega elèctrica	Quarks, Gluones	Hadrones
Partícules mediadores:	Cap Gravitón (conjeturado)	W+ W− Z0	γ (fotons)	Gluones	Posades
Magnitut (a l'escala dels quarks):	10-41	10-4	1	1060	No aplicable als quarks
Magnitut (a l'escala dels protones):	10-36	10-7	1	No aplicable als hadrones	102

Història

Artícul principal → Teoria del tot.

La història de la física ha anat acompanyada de l'idea d'unificació,^{cita requerida} de trobar un conjunt de lleis simples, que descriguen l'univers. Galileo va fer una completa descripció dels efectes de la gravetat en la Terra^{cita requerida} i Kepler va descriure per primera volta el moviment planetari. Per a eixe moment es creïa que abdós fenomens eren distints fins que Isaac Newton en el seu Principia de 1678 els va descriure baix el mateix concepte, la força gravitatoria.

Per un atre costat, abans de el XIX, varis científics com Gray, Priestley, Coulomb i Volta havien ya descrit casi en la seua totalitat el fenomen elèctric. En 1820, Ørsted va ser el primer en descobrir destorbament magnètics propencs a corrents elèctriques. A partir d'este descobriment els experiments no varen cessar fins que finalment Maxwell en 1861 va ser el primer en derivar una equació d'ona electromagnètica, quedant unificats estos atres dos fenomens en l'electromagnetisme^{cita requerida}.

En el desenroll de la física nuclear es varen descobrir dos tipos més de forces a les que no li les podia incloure en les dos ya existents, la força nuclear forta i la força nuclear dèbil. En el posterior desenroll del model estàndar es va trobar a les partícules portadores de dites forces, els bosones^{cita requerida}. Els científics preferixen el terme d'interacció al de força degut a que es pensa en les forces com a interaccions entre bosones, ademés de que la desintegració beta és causada per bosones W i Z de l'interacció dèbil.

Fins que en 1960, Glashow, Salam i Weinberg varen postular que la força nuclear dèbil podia unificar-se a l'electromagnètica en una sola interacció electrodébil. Estes dos interaccions a baixes energies semblen dos diferents tipos d'interaccions pero a temperatures tan altes com les del big bang estes corresponen a una solaPlantilla:Qué.

Sobre l'interacció forta, esta i la electrodébil coexistixen en el model estàndar sense problemes pero s'espera que les tres interaccions quàntiques puguen unificar-se en una interacció electronuclear^{cita requerida}. Finalment es creu Plantilla:Quíque una unificació total comprendria a les quatre interaccions pero fins al moment no s'ha trobat una teoria contundent.

Interacciones

Interacció gravitatoria

Artícul principal → Gravetat.

És la més coneguda de les interaccions, (i al mateix temps la que planteja majors problemes teòrics), ya que el model estàndar no dona conte d'elles, és molt dèbil i afecta a totes les partícules, i inclús a les sense massa com el fotó a causa de que a grans distàncies, pel seu efecte acumulatiu en la massa, té major efecte que les demés interaccions. Junt al electromagnetisme, són les interaccions que actuen a grans distàncies i contràriament a l'electromagnetisme, solament té caràcter atractiu. A distàncies atòmiques, i en comparació al restant d'interaccions, és la més dèbil de totes.

L'interacció gravitatoria fa que qualsevol tipo de matèria proveïda d'energia interaccione entre sí. Per a formes de matèria ordinària que el seu tensor energia-impulse satisfà certes condicions de positividad, tindrà un caràcter atractiuPlantilla:Qué. La teoria general de la relativitat estudia el comportament d'esta interacció a escala planetària i supragaláctica descrivint-la com una curvatura de l'espai-temps^{cita requerida}. En atres paraules, l'interacció gravitatoria és una manifestació de la deformació que sofrix l'espai-temps per la presència de grans masses^{cita requerida}. La teoria newtoniana de la gravitació és una aproximació no relativista a l'interacció gravitatoria.

Segons l'hipòtesis del model estàndar, l'interacció gravitatoria, gravitació o força de la gravetat, és transmesa pel gravitón^{cita requerida}. cal indicar que la teoria de la gravitació, en la seua formulació actual, no és una interacció que siga molt consistent en la descripció usual de la física de partícules. No obstant, degut a que la gravitació és solament perceptible en distàncies molt per damunt del radi atòmic açò permet en la pràctica usar abdós teories simultàneament sense trobar conflicte, en la majoria de situacions pràctiques.

Interacció electromagnètica

Artícul principal → Electromagnetisme.

Diagrama de Feynman de l'interacció entre el camp electró i el camp electromagnètic. És generalizable a atres partícules carregades com els quarks

L'electromagnetisme és l'interacció que actua entre partícules en càrrega elèctrica. Este fenomen inclou a la força electrostàtica, que actua entre càrregues en repòs, i l'efecte combinat de les forces elèctrica i magnètica que actuen entre càrregues que es mouen una respecte a l'atraPlantilla:Qué.

El camp electromagnètic també té un alcanç infinit i com és molt més fort que la gravetat descriu casi tots els fenomens de la nostra experiència quotidiana. Estos van des del raer làser i la radi, a l'estructura atòmica i a fenomens tals com la fricció i l'arc iris.

Els fenomens elèctrics i magnètics han segut observats des de l'antiguetat, pero va anar a partir de 1800 quan els científics varen descobrir que l'electricitat i el magnetisme són dos aspectes fonamentals de la mateixa interacció. En 1864, les equacions de Maxwell havia unificat rigorosament abdós fenomensPlantilla:Qué. En 1905, la teoria d'Einstein de la relativitat especial va resoldre la qüestió de la constància de la velocitat de la llum. També Einstein va explicar l'efecte fotoeléctrico al teorizar que la llum es transmetia també en forma de quants, que ara cridem fotons. A partir de 1927, Paul Dirac unificaPlantilla:Quin la mecànica quàntica en la teoria relativista de l'electromagnetisme, la teoria de l'electrodinàmica quàntica, que es va completar en la década de 1940.

Interacció nuclear forta

Artícul principal → Interacció nuclear forta.

Archiu:Caps block 17 Cycle.svg

l'interacció forta, també coneguda com a interacció nuclear forta, és l'interacció que permet unir-se als quarks per a formar hadrones. l'interacció electromagnètica es dona entre partícules carregades eléctricamente, ací les partícules també tenen càrrega, la càrrega de color. A pesar de la seua forta intensitat, el seu efecte només s'aprecia a distàncies molt curtes de l'orde del radi atòmic. Segons el model estàndar, la partícula mediadora d'esta força és el gluón. La teoria que descriu a esta interacció és la cromodinámica quàntica (QCD) i va ser proposta per David Politzer, Frank Wilczek i David Gross en la década de 1980.

Com a resultat colateral de l'interacció entre quarks, existix una manifestació de la força nuclear forta, actuant dins del núcleu atòmic entre els protones i neutronsPlantilla:Qué; Per la càrrega positiva dels protones, per a que estos es troben estables en el núcleu devia existir una força més forta que l'electromagnètica per a retindre'ls. Ara sabem que la verdadera causa de que els protones i neutrons no es desestabilisen és la cridada interacció forta residual. Esta interacció entre nucleones (protones i neutrons) es produïx a través de parelles de quark-antiquark en forma de piones.

Interacció nuclear dèbil

Artícul principal → Interacció nuclear dèbil.

l'interacció dèbil, també coneguda com a interacció nuclear dèbil, s'acopla a un tipo de càrrega anomenada sabor, que la posseïxen els quarks i els leptones. Esta interacció és la causant dels canvis de sabor en estes partícules, en atres paraules és la responsable de que els quarks i leptones decaiguen en partícules més llaugeres, ademés és la que produïx desintegracions beta. La teoria de Glashow-Weinberg-Salam estudia l'interacció dèbil i l'electrodinàmica quàntica de manera unificada en lo que es diu model electrodébil.

Segons el model estàndar, l'interacció dèbil és mediada pels bosones W i Z que són partícules molt massives. La seua intensitat és menor que l'intensitat de l'electromagnètica i el seu alcanç és menor que el de l'interacció forta. De la mateixa manera que l'interacció forta i la gravitatoria és esta una interacció únicament atractivaPlantilla:Quina^{cita requerida}.

Taula comparativa

Interacció	Teoria descriptiva	Mediadors	Força relativa	Comportament en la distància (r)	Alcanç (m)
Forta	Cromodinámica quàntica (QCD)	gluones	1038	$\frac{e^{-\frac{r}{R}}}{r^2}$	10-15
Electromagnètica	Electrodinàmica quàntica (QED)	fotons	1036	$\frac{1}{r^2}$	$\mathrm{\infty }$
Dèbil	Teoria electrodébil	bosones W i Z	1025	$\frac{e^{-m_{W,Z}r}}{r^2}$	10-18
Gravitatoria	Gravetat quàntica	gravitones (hipotètics)	1	$\frac{1}{r^2}$	$\mathrm{\infty }$

La teoria quàntica de camps és el marc general dins del com s'inscriuen la cromodinámica quàntica, la teoria electrodébil i l'electrodinàmica quàntica. Per una atra part la "gravetat quàntica" actualment no consistix en un marc general únic sino un conjunt de propostes que tracten d'unificar la teoria quàntica de camps i la relativitat general.

Vore també

• Força
• Model estàndar
• Gravitón
• Fotó
• Bosón
• Energia obscura
• Teoria de cordes
• Superfuerza

Bibliografia

General:

• Paul Davies (1986) The Forces of Nature, 2nd ed. Cambridge Univ. Press.
• Richard Feynman (1967) The Character of Physical Law. MIT Press. ISBN 0-262-56003-8
• Schumm, Bruce A. (2004) Deep Down Things. Johns Hopkins University Press. While all interactions llaure discussed, especially thorough on the weak.
• Steven Weinberg (1993) The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. Basic Books. ISBN 0-465-02437-8
• Steven Weinberg (1994) Dreams of a Final Theory. Vintage Books. ISBN 0-679-74408-8

Monografies:

• Padmanabhan, T. (1998) After The First Three Minutes: The Story of Our Universe. Cambridge Univ. Press. ISBN 0-521-62972-1

• Perkins, Donald H. (2000) Introduction to High Energy Physics. Cambridge Univ. Press. ISBN 0-521-62196-8