Interaccións fundamentais

Interaccións fundamentais
Instancia de tipo de interacción tétrada  Subclase de fenómeno físico interacción  Composto por gravidade interacción electromagnética interacción nuclear débil interacción nuclear forte  Estudado por física
Códigos e identificadores Freebase /m/02y7z OpenAlex C92729435
Wikidata C:Commons

En física, as interaccións fundamentais ou forzas fundamentais son interaccións na natureza que non parecen ser reducibles a interaccións máis básicas. Existen catro interaccións fundamentais coñecidas: a Gravidade, o Electromagnetismo, a Interacción débil e a Interacción forte. As interaccións gravitatoria e electromagnética producen forzas de longo alcance cuxos efectos poden observarse directamente na vida diaria. As interaccións forte e débil producen forzas a escalas subatómicas e gobernan as interaccións nucleares dentro dos átomos. Algúns científicos hipótese que podería existir unha quinta forza, pero estas hipóteses seguen sendo especulativas.

Cada unha das interaccións fundamentais coñecidas pode describirse matematicamente como un campo. A interacción gravitatoria atribúese á curvatura do espazo-tempo, descrita pola teoría xeral da relatividade de Albert Einstein. As outras tres son campos cuánticos discretos, e as súas interaccións están mediadas por partículas elementais descritas polo Modelo estándar da física de partículas.

Dentro do Modelo estándar, a interacción forte está mediada por unha partícula chamada gluón e é responsable de que os quarks se unan para formar hadrons, como os protóns e neutróns. Como efecto residual, xera a forza nuclear que mantén unidos estes últimos para formar núcleos atómicos. A interacción débil está mediada por partículas chamadas bosóns W e Z e actúa tamén no núcleo dos átomos, mediando a desintegración radioactiva. A forza electromagnética, mediada polo fotón, crea campos eléctricos e magnéticos, responsables da atracción entre os electróns en órbita e os núcleos atómicos con carga positiva, o que mantén os átomos unidos, así como os enlaces químicos e as ondas electromagnéticas, incluída a luz visible, e constitúe a base da tecnoloxía eléctrica. A forza electromagnética é moito máis forte que a gravidade, pero ao contrario desta, presenta cargas positivas e negativas opostas. Os obxectos grandes tenden a ter aproximadamente o mesmo número de cargas positivas e negativas, polo que son practicamente neutros, sen forzas electromagnéticas netas entre eles. A escalas (astronómicas) a gravidade é a forza dominante, responsable de manter a estrutura a grande escala do universo, como planetas, estrelas e galaxias. O éxito histórico dos modelos que relacionan as interaccións fundamentais levou a esforzos para ir máis alá do Modelo estándar (que non describe a gravidade) e unificar as catro forzas nunha teoría do todo.

Historia

Teoría clásica

Na súa teoría de 1687, Isaac Newton postulou o espazo como unha estrutura física infinita e inalterable que existe antes, dentro e ao redor de todos os obxectos, mentres os seus estados e relacións evolucionan a un ritmo constante en todas partes, o que se coñece como espazo e tempo absolutos. Ao inferir que todos os obxectos con masa se atraen cunha taxa constante, pero chocan cunha intensidade proporcional ás súas masas, Newton concluíu que a materia exerce unha forza atractiva. A súa lei da gravitación universal implicaba unha interacción instantánea entre todos os obxectos. Interpretada de forma convencional, a teoría do movemento de Newton modelaba unha forza central sen medio de comunicación. Así, a teoría de Newton violaba a tradición, que se remonta a Descartes, de que non debe existir acción a distancia. Pola contra, na década de 1820, ao explicar o magnetismo, Michael Faraday propuxo a idea dun campo que enche o espazo e transmite a forza. Faraday conxecturou que, en última instancia, todas as forzas se unificarían nunha soa.

En 1873, James Clerk Maxwell unificou a electricidade e o magnetismo como efectos dun campo electromagnético cuxa terceira consecuencia era a luz, que se propaga a velocidade constante no baleiro. Se a súa teoría electromagnética clásica fose válida en todos os sistemas de referencia inerciais, isto entraría en conflito coa teoría do movemento de Newton, baseada na relatividade galileana. Se, pola contra, a teoría só fose válida en referenciais en repouso respecto dun éter luminífero mecánico, podería reconciliarse coa relatividade galileana e as leis de Newton. (Porén, este “éter de Maxwell” foi posteriormente refutado; as leis de Newton tiveron que ser substituídas.)

Modelo estándar

Artigo principal: Modelo estándar.

O Modelo estándar das partículas elementais, cos fermións nas tres primeiras columnas, os bosóns gauge na cuarta e o bosón de Higgs na quinta

.

O Modelo estándar da física de partículas desenvolveuse durante a segunda metade do século XX. Nel, as interaccións electromagnética, forte e débil asócianse con partículas elementais, cuxo comportamento se modela mediante a mecánica cuántica (QM). Para obter predicións correctas dos resultados probabilísticos da QM, a física de partículas combina a mecánica cuántica coa relatividade especial, dando lugar á teoría cuántica de campos relativista (QFT). As partículas portadoras de forza, chamadas bosóns gauge (ou “mediadores de forza”), interactúan coas partículas de materia, chamadas fermións.

A materia ordinaria está formada por átomos compostos por tres tipos de fermións: quarks up e down que constitúen o núcleo, e electróns que o rodean. Os átomos interactúan e forman moléculas mediante interaccións electromagnéticas entre electróns, coa emisión e absorción de fotóns, que poden percorrer distancias teoricamente infinitas. A QED (electrodinámica cuántica) describe esta interacción electromagnética.

Os bosóns portadores da interacción débil son os masivos bosóns W e Z. A teoría electrodébil describe tanto o electromagnetismo como a interacción débil. Nas altas temperaturas pouco despois do Big Bang, estas interaccións estaban unificadas xunto co campo de Higgs. Co arrefriamento do universo produciuse a ruptura de simetría, separando estas interaccións.

Na interacción forte, mediada polos gluóns, a QCD describe como os quarks se unen a distancias extremadamente pequenas. A QED, a QCD e o mecanismo de Higgs forman o Modelo estándar da física de partículas. Aínda que existen métodos aproximados de cálculo, a teoría perturbativa non é suficiente para algúns fenómenos como estados ligados ou solitóns. Aínda así, o Modelo estándar é amplamente aceptado como a teoría máis confirmada experimentalmente.

Visión xeral das interaccións fundamentais

Unha visión xeral das partículas elementais e compostas e das teorías que describen as súas interaccións.

No modelo conceptual das interaccións fundamentais, a materia está composta por fermións que posúen cargas e spin ±1/2. Estes interactúan mediante o intercambio de bosóns.

A interacción entre dous fermións pode modelarse así:

Dous fermións entran → interacción mediante intercambio de bosón → dous fermións modificados saen.

O intercambio de bosóns transporta enerxía e momento, cambiando o estado dos fermións. Tamén pode modificar as súas cargas e o seu spin. Estes procesos poden interpretarse como forzas clásicas emerxentes.

Segundo o coñecemento actual, existen catro interaccións fundamentais: gravitación, electromagnetismo, interacción débil e interacción forte. As súas intensidades varían amplamente, como se describe na táboa seguinte.

As interaccións poden compararse mediante constantes de acoplamento sen dimensión que caracterizan a súa intensidade.

A visión moderna (cuántica perturbativa) das interaccións fundamentais agás a gravidade é que as partículas de materia non interactúan directamente, senón que intercambian bosóns virtuais. Por exemplo, os fotóns median a interacción electromagnética e os gluóns a interacción de cor. As interaccións completas inclúen tamén procesos adicionais representados mediante diagramas de Feynman.

Interaccións

Gravidade

Artigo principal: Gravidade.

A gravitación é a máis feble das catro interaccións a escala atómica, onde dominan as interaccións electromagnéticas.

A gravitación é a máis importante das catro forzas fundamentais para os obxectos astronómicos a distancias astronómicas por dúas razóns. En primeiro lugar, a gravitación ten un alcance efectivo infinito, igual que o electromagnetismo pero a diferenza das interaccións forte e débil. En segundo lugar, a gravidade sempre atrae e nunca repele; en contraste, os corpos astronómicos tenden a unha carga eléctrica neta case neutra, de maneira que a atracción dun tipo de carga e a repulsión da oposta practicamente se cancelan entre si.

Aínda que o electromagnetismo é moito máis forte que a gravitación, a atracción electrostática non é relevante para corpos celestes grandes, como planetas, estrelas e galaxias, simplemente porque estes corpos conteñen cantidades iguais de protóns e electróns e, polo tanto, teñen carga eléctrica neta cero. Nada “compensa” a gravidade, xa que esta é só atractiva, ao contrario das forzas eléctricas que poden ser atractivas ou repulsivas. Por outra banda, todos os obxectos con masa están sometidos á forza gravitatoria, que só atrae. Polo tanto, só a gravitación importa na estrutura a grande escala do universo.

O alcance longo da gravitación faina responsable de fenómenos a grande escala como a estrutura das galaxias e os buracos negros e, ao ser só atractiva, ralentiza a expansión do universo. A gravitación tamén explica fenómenos astronómicos a escalas máis pequenas, como as órbitas planetarias, así como a experiencia cotiá: os obxectos caen, os obxectos pesados semellan estar “pegados” ao chan, e os animais só poden saltar ata certa altura.

A gravitación foi a primeira interacción descrita matematicamente. Na antigüidade, Aristóteles supuxo que os obxectos de distinta masa caen a velocidades diferentes. Durante a Revolución científica, Galileo Galilei determinou experimentalmente que esta hipótese era incorrecta en certas condicións: ignorando a resistencia do aire e a flotabilidade, todos os obxectos aceleran cara á Terra ao mesmo ritmo. A lei da gravitación universal de Isaac Newton (1687) foi unha boa aproximación do comportamento da gravidade. A comprensión actual da gravitación procede da teoría da relatividade xeral de Einstein de 1915, unha descrición máis precisa (especialmente para masas e distancias cosmolóxicas) en termos da xeometría do espazo-tempo.

A unión da relatividade xeral e a mecánica cuántica (ou teoría cuántica de campos) nunha teoría máis xeral de gravidade cuántica é unha área de investigación activa. Hipotetízase que a gravitación está mediada por unha partícula sen masa de spin 2 chamada gravitón.

Aínda que a relatividade xeral foi confirmada experimentalmente (polo menos en campos febles, é dicir, non en buracos negros) en practicamente todas as escalas menos as máis pequenas, existen alternativas á relatividade xeral. Estas teorías deben reducirse á relatividade xeral nun certo límite, e o foco experimental é establecer límites ás posibles desviacións.

Propóñense dimensións extra para explicar por que a gravidade é tan feble.

Interacción electrodébil

Artigo principal: Interacción electrodébil.

O electromagnetismo e a interacción débil parecen moi diferentes a baixas enerxías. Poden modelarse mediante dúas teorías distintas. Porén, por enriba da enerxía de unificación, da orde de 100 GeV, fúndense nunha única forza electrodébil.

A teoría electrodébil é moi importante para a cosmoloxía moderna, especialmente para entender a evolución do universo. Isto débese a que pouco despois do Big Bang, cando a temperatura aínda estaba por riba de aproximadamente 10¹⁵ K, a forza electromagnética e a forza débil aínda estaban unificadas como unha forza electrodébil combinada.

Pola súa contribución á unificación da interacción débil e electromagnética entre partículas elementais, Abdus Salam, Sheldon Glashow e Steven Weinberg recibiron o Premio Nobel de Física en 1979.

Electromagnetismo

Artigo principal: Electromagnetismo.

O electromagnetismo é a forza que actúa entre partículas con carga eléctrica. Este fenómeno inclúe a forza electrostática entre partículas en repouso e o efecto combinado das forzas eléctricas e magnéticas entre partículas en movemento relativo.

O electromagnetismo ten alcance infinito, igual que a gravidade, pero é moito máis forte. É a forza que mantén os electróns unidos aos átomos e que mantén unidas as moléculas. É responsable de fenómenos cotiáns como a luz, os imáns, a electricidade e o rozamento. O electromagnetismo determina fundamentalmente todas as propiedades macroscópicas e moitas propiedades a nivel atómico dos elementos químicos.

Nunha xerra de auga de catro quilogramos (~1 galón), hai:

$4000\ {\mbox{g}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {{O}\cdot {\frac {1\ {\mbox{mol}}\,{\rm {{H}_{2}{\rm {O}}}}}{18\ {\mbox{g}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {10\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}{1\ {\mbox{mol}}\,H_{2}O}}\cdot {\frac {96,000\ {\mbox{C}}\,}{1\ {\mbox{mol}}\,e^{-}}}=2.1\times 10^{8}C\ \,\ }}}}$

de carga total de electróns. Se colocamos dúas xerras a un metro de distancia, os electróns dunha repelen os da outra cunha forza de:

${1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{\frac {(2.1\times 10^{8}\mathrm {C} )^{2}}{(1m)^{2}}}=4.1\times 10^{26}\mathrm {N} .$

Esta forza é moito maior que o peso da Terra. Os núcleos atómicos tamén se repelen coa mesma forza, pero estas interaccións quedan canceladas pola atracción entre electróns e núcleos das dúas xerras, polo que non hai forza neta. As forzas electromagnéticas son moito máis intensas que a gravidade, pero tenden a cancelarse en obxectos grandes, polo que a escala astronómica domina a gravidade.

Os fenómenos eléctricos e magnéticos coñécense desde a antigüidade, pero só no século XIX James Clerk Maxwell demostrou que electricidade e magnetismo son aspectos da mesma interacción fundamental. En 1864, as ecuacións de Maxwell cuantificaron esta interacción unificada.

A constancia da velocidade da luz no baleiro (c) pode derivarse destas ecuacións e é coherente coa relatividade especial. A teoría de Einstein de 1905 mostrou que esta constancia ten profundas implicacións para o espazo e o tempo.

Noutra contribución, Einstein explicou o efecto fotoeléctrico mediante a idea de quanta de luz, chamados fotóns. Máis tarde, Dirac e outros desenvolveron a electrodinámica cuántica (QED), que describe o electromagnetismo no marco da mecánica cuántica e explica fenómenos como o túnel cuántico.

Interacción débil

Artigo principal: Interacción débil.

A interacción débil ou forza nuclear débil é responsable de fenómenos como a desintegración beta. O electromagnetismo e a forza débil enténdense como aspectos dunha única interacción electrodébil — primeira etapa cara ao Modelo estándar. Os seus portadores son os bosóns W e Z, que son masivos. A interacción débil non conserva a paridade e viola a simetría CP, aínda que conserva CPT.

Interacción forte

Artigo principal: Interacción forte.

A interacción forte ou forza nuclear forte é a máis complexa das interaccións, debido á súa dependencia coa distancia. É fortemente atractiva entre nucleóns a distancias de arredor de 1 femtómetro, pero diminúe rapidamente máis alá de 2,5 fm. A distancias menores de 0,7 fm faise repulsiva, o que determina o tamaño dos núcleos atómicos.

Tras o descubrimento do núcleo, fíxose evidente a necesidade dunha nova forza para superar a repulsión electrostática entre protóns. Hideki Yukawa previu a existencia dunha partícula mediadora masiva.

O descubrimento do pión en 1947 marcou o inicio da física de partículas moderna. Posteriormente desenvolvéronse diversos modelos ata chegar á cromodinámica cuántica (QCD), baseada en quarks e gluóns. En 1973, o descubrimento da liberdade asintótica confirmou que a QCD era a teoría correcta da interacción forte.

Interacción de Higgs

Convencionalmente, a interacción de Higgs non se considera unha das catro forzas fundamentais.

Porén, o campo de Higgs produce unha interacción tipo Yukawa que pode interpretarse como unha forza adicional de moi curto alcance. Tras a ruptura de simetría espontánea, os termos de Yukawa teñen a forma:

${\frac {\lambda _{i}}{\sqrt {2}}}{\bar {\psi }}\phi '\psi ={\frac {m_{i}}{\nu }}{\bar {\psi }}\phi '\psi$

e xeran potenciais efectivos:

$V(r)=-{\frac {m_{i}m_{j}}{m_{\rm {H}}^{2}}}{\frac {1}{4\pi r}}e^{-m_{\rm {H}},c,r/\hbar }$

Debido á pequena lonxitude de onda Compton do bosón de Higgs, esta interacción ten alcance extremadamente curto.

Unificación

As interaccións fundamentais poden unificarse nunha única forza a enerxías extremadamente altas, preto da escala de Planck. A forza electromagnética e a débil xa foron unificadas na teoría electrodébil de Glashow, Salam e Weinberg.

As grandes teorías unificadas (GUT) propoñen que as tres interaccións do Modelo estándar son manifestacións dunha soa interacción a altas enerxías. Outras teorías intentan incluír tamén a gravidade, dando lugar a teorías de todo (ToE), como a teoría de cordas ou a gravidade cuántica en bucles.

Véxase tamén

• Quintessencia (física)
• Gerardus 't Hooft
• Edward Witten
• Howard Georgi