Pero como sabemos, la misma puede dividirse cada vez en partes mas pequeñas..., pero hasta donde? Cual es el ladrillo fundamental? Cuales son las fuerzas que las gobiernan y sus propiedades?
En este nuevo apartado analizaremos estas cuestiones y trataremos de encontrar algunas respuestas a estos interrogantes.
a. Composición de la Materia
Cuál es el componente de la materia indivisible...
Esta cuestión fue tratada muchos siglos atrás, se creía que la última porción era el átomo (indivisible en griego).
La teoría aceptada hoy es que el átomo se compone de un núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones, en conjunto conocidos como nucleón, alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa.
El núcleo del átomo se encuentra formado por:
-Protones: Partícula de carga eléctrica positiva igual a una carga elemental, y 1,67262 × 10–27 kg y una masa 1837 veces mayor que la del electrón
-Neutrones: Partículas carentes de carga eléctrica y una masa un poco mayor que la del protón (1,67493 × 10–27 kg).
Estos conceptos fueron tomando forma a partir de las distintas contribuciones científicas a lo largo del siglo pasado; en 1897 Joseph John Thomson demostraba la existencia del electrón; en 1905 Albert Einstein formuló el
Hasta 1969 se consideraba a los neutrones y protones partículas elementales (que no se pueden dividir), con experimentos en los cuales se hacían colisionar estas partículas a grandes velocidades indicaron que las mismas estaban compuestas por partículas aún más pequeñas a las que llamaron quarks. Hasta el momento son la porción de materia más pequeña que la ciencia pudo identificar.
Hay seis tipos distintos de quarks:
-up (arriba)
-down (abajo)
-charm (encantado)
-strange (extraño)
-top (cima)
-bottom (fondo)
Cada uno de ellos puede tener un "color", rojo, verde o azul.
Tener presente que estos colores son solo etiquetas y no describen las características reales de los quarks, es solo para llamarlos de alguna manera práctica.
b. El Espín
El espín se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo. Se trata de una propiedad intrínseca de la partícula como lo es la masa o la carga eléctrica. El espín fue introducido en 1925 por Ralph Kronig e, independientemente, por George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit En 1920, los químicos analíticos llegaron a la conclusión que para describir a los electrones en el átomo, además de los números cuánticos, se requería de un cuarto concepto, el llamado espín del electrón. Éste, al girar sobre su propio eje genera un campo magnético, el denominado espín.
El espín es como se muestra la partícula desde distintas direcciones.
Una partícula de Espín 0 nos dice que la misma parece la misma desde cualquier dirección.
Una de Espín 1 parece diferente desde direcciones distintas, es como una flecha, sólo si se la gira 360 grados la partícula parece la misma.
El caso del Espín 2 es como si la partícula fiera una flecha de dos cabezas, parece la misma si se la gira 180 grados.
El caso de una partícula con espín mas alto es que se la debe girar menos de 180 grados para que parezca la misma.
También existen partículas con espín 1/2; a las cuales hay que girarlas dos veces 360 grados para que parezcan las mismas.
Las partículas de todo el universo se pueden clasificar en dos grupos:
Las de espín 1/2, las cuales son las que forman toda la materia existente.
Las de espín 0, 1, 2 las cuales dan lugar a las fuerzas o interacciones entre las partículas materiales.
c. Antimateria
Se conoce como antimateria a las agrupaciones organizadas de antipartículas, de forma análoga a como la materia es la agrupación de partículas.
Las teorías científicas más aceptadas afirman que en el origen del universo existían materia y antimateria en iguales proporciones. Pero la materia y la antimateria se aniquilan mutuamente, dando como resultado energía pura.
Se desconocen los motivos por los que no se ha encontrado antimateria en el universo. En física, el proceso por el que la cantidad de materia superó a la de antimateria se denomina Bariogénesis, el mismo fue la resultante de 3 escenarios posible:
-Pequeño exceso de materia tras el Big Bang: Especula con que la materia que forma actualmente el universo podría ser el resultado de una ligera diferencia en la cantidad de ambas.
-Asimetría CP: En 1967, Andréi Sájarov postuló por primera vez que las partículas y las antipartículas no tenían propiedades exactamente iguales o simétricas; una discusión denominada la Violación CP. Un reciente experimento en el acelerador KEK de Japón sugiere que esto quizás sea cierto, y que por tanto no es necesario un exceso de materia en el Big Bang: simplemente las leyes físicas que rigen el universo favorecen la supervivencia de la materia frente a la antimateria.
-Existencia de galaxias de antimateria ligada por antigravedad: Esta tercera opción plantea la hipótesis de que pueda haber regiones del universo compuestas de antimateria. Hasta la fecha no existe forma de distinguir entre materia y antimateria a largas distancias, pues su comportamiento y propiedades son indistinguibles. Existen argumentos para creer que esta tercera opción es muy improbable: la antimateria en forma de antipartículas se crea constantemente en el universo en las colisiones de partículas de alta energía, como por ejemplo con los rayos cósmicos. Sin embargo, éstos son sucesos demasiado aislados como para que estas antipartículas puedan llegar a encontrarse y combinarse.
La ecuación de Dirac, formulada por Paul Dirac en 1928, predijo la existencia de antipartículas. Desde entonces, se han ido detectando experimentalmente muchas de dichas antipartículas: Carl D. Anderson, en el Caltech, descubrió el positrón en 1932. Veintitrés años después, en 1955, Emilio Segrè y Owen Chamberlain, en la universidad de Berkeley, el antiprotón y antineutrón.[5]
Pero la primera vez que se pudo hablar propiamente de antimateria, es decir, de "materia" compuesta por antipartículas, fue en 1965, cuando dos equipos consiguieron crear un antideuterón, una antipartícula compuesta por un antiprotón y un antineutrón. La antipartícula fue lograda en el Acelerador Protón Sincrotón del CERN.
En 1995, el CERN anunció la creación de nueve átomos de antihidrógeno.
F. J Hartmann, de la Universidad Técnica de Munich, y un equipo de investigadores japoneses informaron de la creación de un átomo compuesto de materia y antimateria llamado helio antiprotónico. Este átomo constaba de dos protones, dos neutrones, un electrón y un antiprotón. El átomo sobrevivió 15 millonésimas de segundo.
d. Fuerzas Universales
En física, fuerzas fundamentales se denominan a las cuatro fuerzas existentes en nuestro universo.
Estas fuerzas o interacciones entre partículas materiales son transmitidas por partículas de espín entero 0, 1, 2.
Una partícula como un electrón o un quark emite una partícula portadora de fuerza; el retroceso producido por esta emisión cambia la velocidad de la partícula material. La partícula portadora de fuerza choca después con otra partícula materia y es absorbida, esta colisión cambia la velocidad de la segunda partícula justo igual como si hubiera habido una fuerza entre las dos partículas materiales.
Existen cuatro tipos de fuerzas fundamentales: interacción nuclear fuerte, interacción nuclear débil, interacción electromagnética e interacción gravitatoria. Casi toda la historia de la física moderna se ha centrado en la unificación de estas fuerzas , hasta ahora tanto la fuerzas débil y la electromagnética se han podido unificar en el fuerzas electrodébil. En cambio, la unificación de la fuerza fuerte con esta electrodébil es el motivo de toda la teoría de la gran unificación. Y finalmente, la teoría del todo involucraría a esta interacción electronuclear con la gravedad.
1- ) Interacción Gravitatoria
Esta es una fuera universal ya que la misma actúa por sobre todo tipo de partículas materiales.
La misma es de poca intensidad en comparación con las otras tres fuerzas, pero tiene dos propiedades que en ciertas situaciones hagan que predomine. Estas propiedades son, que la fuerza gravitatoria es siempre atractiva y la misma es de gran alcance.
Esto hace posible que la Tierra gire en torno al Sol, ya que aunque la fuerza entre cada partícula de los astros sea muy débil las mismas se suman haciendo muy considerable su acción.
La fuerza gravitatoria, a nivel cuántico, se halla representada por una partícula de espín 2 llamada gravitón.
Estas partículas no poseen masa propia con lo cual y como antes mencionamos su efecto es notorio a grandes distancias, las mismas forman lo que se denominan ondas gravitatorias; estas ondas son muy débiles y aunque se sepa de su existencia, nunca han podido ser observadas.
2- ) Interacción Electromagnética
Esta fuerza es muy fuerte en comparación con la gravitatorio, mas bien muchísimo más fuerte.
Esta fuerza actúa sobre partículas con cargas eléctricas como son los quarks o los electrones y puede ser atractiva o repulsiva dependiendo de la carga de la partícula que afecten (carga + con carga + repulsiva, - con - repulsiva, + con - atractiva).
La atracción electromagnética es la que hace posible que los electrones con carga negativa giren alrededor de los protones, con carga positiva, que conforman el núcleo del átomo.
La fuerza electromagnética es transmitida por partículas de espín 1 llamadas fotones.
Los mismos son observables como luz visible al ojo humano cuando un electrón al cambiar de órbita alrededor del núcleo de un átomo libera energía emitiendo un fotón.
3- ) Interacción Nuclear Débil
Esta fuerza es la responsable de la radiactividad y la misma actúa sobre partículas materiales de espín 1/2.
Esta fuerza es transmitida por partículas de espín 1 llamadas bosones vectoriales masivos.
Existen tres tipos de bosones: uno con carga eléctrica positiva (W+) y el otro con la misma carga pero negativa (W-). El bosón Z es eléctricamente neutro.
Los tres tipos de bosones son muy masivos para ser partículas elementales Los bosones W tienen una masa de 80.4 GeV/c2 y el bosón Z de 91.2 GeV/c2. Son más masivos que los núcleos de hierro, lo que explica perfectamente que las distancias a las que ésta interacción actúa sean tan pequeñas, del orden de 10-18 m.
4- ) Interacción Nuclear Fuerte
Esta mantiene a lo quarks unidos con en protón y el neutrón, y a los protones y neutrones juntos en el núcleos de los átomos.
Es transmitida por una partícula de espín 1 llamada gluón.
Los efectos de esta fuerza de interacción sólo se aprecian a distancias muy pequeñas menores a 1 fm (fm: equivale a una milbillónesima parte del metro), del tamaño de los núcleos atómicos y no se perciben a distancias mayores a 1 fm.
En busca de la TGU
Una teoría de Gran Unificación (TGU) sería una que unificara tres de las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza nuclear débil, fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética. La fuerza de gravedad no es considerada en las teoría de Gran Unificación, pero si en una eventual Teoría del Todo (TOE), que consideraría las cuatro interacciones fundamentales. La teoría del todo es una teoría hipotética de la Física teórica que explica y conecta en una sola todos los fenómenos físicos conocidos.
Hubo numerosas teorías del todo propuestas pero hasta ahora ninguna ha sido capaz de superar una prueba experimental, han tenido tremendas dificultades para que sus teorías tengan resultados experimentales estables. El primer problema en producir una teoría del todo es que las teorías aceptadas, como la mecánica cuántica y la relatividad general, son radicalmente diferentes en las descripciones del universo: las formas sencillas de combinarlas conducen rápidamente a la "renormalización" del problema, en donde la teoría no nos da resultados finitos para datos cuantitativos experimentales.
Como ejemplos exitosos de "unificación", se encuentran la demostración, por parte de Newton, de que la fuerza que mantiene a los planetas girando en torno al sol y la fuerza que nos mantiene pegados a la superficie de la Tierra es la misma. También Maxwell llevó a cabo la unificación de los campos eléctricos y magnéticos, que hasta antes de su gran teoría, eran considerados fenómenos separados y diferentes.
Steven Weinberg y Abdus Salam elaboraron en 1967-1968, una teoría relativista del campo cuántico, que permitía expresar las interacciones electromagnéticas y débiles de una manera unificada (la interacción electrodébil), y que predijo hechos que luego fueron comprobados experimentalmente.
Fuente consultada: Historia del tiempo ilustrada de Stephen Hawking, Wikipedia.
Mail: grupo_gabie@yahoo.com.ar
Web: www.grupogabie.blogspot.com
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