Para entender la física de partículas, un breve repaso a lo que es una partícula.
Empezaré recordando que todo lo que vemos (y no vemos) está formado por partículas.
Las cuatro fuerzas de la Naturaleza (o interacciones) conocidas son:
- Interacción débil
- Interacción fuerte
- Electromagnetismo
- Gravedad
Y es cierto, aquí tenéis la definición oficial:
"El gravitón es la partícula que genera el campo gravitatorio, y es, por lo tanto, el causante de la cuarta fuerza, que no es una fuerza como sabemos, sino una distorsión del espacio-tiempo."
Que ha tenido a bien compartir, mi compi y amigo, Fenrir (de "La leyenda de Darwan") en este artículo sobre la teoría de cuerdas y materia oscura.
Dicho esto y puesto que, comprender la curvatura del espacio-tiempo, requiere:- Una maduración matemática avanzada
- Una sólida formación en mecánica clásica (hamiltonianos, lagrangianos, principios de acción...)
- Conocimientos en geometría diferencial, electromagnetismo, mecánica de fluídos...
- Ser capaz de realizar derivadas parciales, entendiendo la regla de la cadena para ellas (dentro del álgebra lineal básica), para la composición de trasformación de coordenadas en los campos tensoriales.
Una fuerza es algo que hace posible que el movimiento de un cuerpo se desvíe de la línea recta original.Y lo explico aquí
¿Qué me voy a encontrar?
- Qué son las partículas elementales
- Fermiones (o partículas de materia)
- Interacciones fundamentales
- Hago un inciso, porque me gustaría puntualizar la siguiente “fuerza”
Qué son las partículas elementales
Son esas migas diminutas, indivisibles, que quedan en el mantel, o la rayita que deja el recogedor al barrer.
Esas.
Ahora en serio.
No son visibles, pero sí detectables, si aplicamos la suficiente energía, del orden de giga electrón-voltios (GeV).
Y he tenido a bien clasificarlas según su funcionalidad:
Electrones (responsables de la corriente eléctrica)
Los electrones (e−), junto con los núcleos atómicos (formados de protones y neutrones, conforman los átomos), están formados por quarks pero, no dejan de ser partículas elementales, es decir, indivisibles.
La antipartícula del electrón es el positrón (e+)
Por ejemplo:
Para producir fotones de rayos gamma, debe colisionar un positrón con un electrón.
Fotones (responsables de la luz)
Los fotones son los soportes de la interacción electromagnética.
Un fotón procede de la energía liberada por los electrones (que sí actúan como partículas con masa, dado que son fermiones).
No tiene antipartícula
(porque no posee carga eléctrica).
Tampoco tienen masa.
A ver, en teoría, puede tener hasta un unicornio, pero a efectos prácticos… Su masa es igual a 0 absoluto*.
Para crear un fotón, se deben acelerar partículas con carga eléctrica
Un fotón es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética:
- Rayos gamma
- Rayos X
- Luz ultravioleta
- Luz visible
- Luz infrarroja
- Microondas
- Ondas de radio
- Rayo (o espada) láser**… Etc.
*Ojo cuidado, que el hecho de que no tenga masa, no significa que no se pueda medir o cuantificar la energía.
**Un láser es un haz energía electromagnética (que puede ser luz visible, o no), con una gran cantidad de cuantos en dirección uniforme y frecuencia muy específica.
Existe la leyenda urbana de que su poder reside en que choca fotones. Pero es, porque al contener mucha energía, afecta a la materia sobre-excitándola mucho.
- Los fotones no tienen masa, su velocidad no crea algún impacto.
- En las explosiones cósmicas tales como una supernova, sí crearía impacto porque los neutrones y protones que provienen de los átomos (de lo que, en algún momento, vez fue una estrella) Sí tienen masa.
Neutrinos (o partículas fantasma)
La masa del neutrino es 5,5 eV/c2 (menos de una milmillonésima parte de la masa de un átomo de hidrógeno).
Tanto el neutrino como el antineutrino, poseen una carga nula.
Fuentes de neutrinos
- El Sol
- Una central nuclear
- Radiación cósmica de fondo
- Fenómenos astrofísicos
- La Tierra
- La atmósfera
- Nosotros
Existen 3 tipos de neutrinos, cada uno con su “forma particular de relacionarse” con las otras partículas y, además, pueden intercambiarse entre ellos.
Tipos de neutrinos
- Neutrino electrónico
- Neutrino muónico
- Neutrino tauónico
Los neutrinos cambian de tipo según se mueven
Con un patrón oscilante, de ida y vuelta constante, que les permite intercambiar su tipo en “en vuelo”.
Parecerá una tontería, pero si pueden oscilar… Tienen masa.
Hecho que choca de plano con la, hasta entonces, válida teoría de que los neutrinos, como los fotones, no tienen masa.
La antimateria (o antipartícula)
Cada partícula de materia (con carga eléctrica) tiene su némesis.
Una partícula idéntica, pero con una carga eléctrica opuesta
Y esto ocurre desde el mismo momento que se crea una partícula.
Por ejemplo:
El electrón (del que te hablé antes), tiene una carga negativa (e−).
Por lo que su antipartícula (el positrón) la tendrá positiva (e+).
Pero no, protones y neutrones
Que encontramos, por ejemplo, en el núcleo de un átomo.
Los nucleones
- Están formados por protones (p, p+, N+) y neutrones (n, n0, N0)
- Están compuestos por tres partículas elementales. (Quarks)
- El número de protones en el núcleo de un átomo, será el que determine qué tipo de elemento químico es (y las propiedades químicas que posea).
- El neutrón es necesario para la estabilidad de todos los núcleos atómicos (excepto el isótopo hidrógeno-1).
Para mantener estable un neutrón, en el núcleo atómico, debe existir una interacción nuclear fuerte.
En aquellos tiempos, tanto el protón como el neutrón, eran consideradas partículas fundamentales.
Fermiones (o partículas de materia)
El modelo estándar de las partículas elementales de la materia dictamina que son:
12 partículas de materia
- 6 Quarks
- 3 Electrones (y equivalentes)
- 3 Neutrinos
Los fermiones son, básicamente, la materia.
Leptones y quarks forman, prácticamente, toda la materia de la que estamos rodeados.
La materia está, en su mayor parte, constituída por los 2 primeros quarks.
Que forman los protones y neutrones de los que está formado el núcleo atómico.
Tenemos dos tipos de fermiones fundamentales
1. Los quarks
Son fermiones elementales masivos que:
- Interactúan formando la materia nuclear y un tipo de partícula llamada hadrón*.
- Están conectados por la interacción fuerte, que se produce mediante el intercambio de gluones.
- La materia bariónica está constituída por quarks fundamentales.
- La fuerte interacción que mantienen las partículas confinadas, aumentan con la distancia entre quarks.
*Los hadrones están divididos en 2:
- Mesones: bosones formados por un quark y un antiquark (piones, kaones…)
- Bariones: fermiones formados por tres o cinco quarks y/o antiquarks (protones, neutrones…)
2. Los leptones
Distribuídos en 3 generaciones:
1ª Generación: Tenemos el electrón y el neutrino electrónico.
2ª y 3ª Generación: Aquí no nos vamos a entretener, porque no las tenemos en los procesos de alta energía.
La interacción entre ellos, se produce gracias a los bosones de gauge
Bosones gauge
Son las particulas mediadoras de fuerza o partículas portadoras de las interacciónes fundamentales
Interacciones fundamentales
La fuerza nuclear se divide en dos
1. Fuerza débil (o interacción…)
Es la responsable de fenómenos naturales como la desintegración radiactiva. (Responsable de la radioactividad ß, por ejemplo).
Heisenberg (que no es el de Braking Bad) ya habló de ésto mucho antes que yo.
Tuvo a bien llamarlo relación de indeterminación* que no es otra cosa, que la explicación de por qué la fuerza nuclear débil es débil.
*Una cosa te digo, los genios éstos, deberían buscarse un Copy que les ponga mejores títulos a los trabajos, porque vaya tela.
Vamos, que después del intercambio entre bosones W y Z (que son muy masivos), la fuerza (o interacción) nuclear débil tiene poco alcance.
2. Fuerza fuerte (o interacción residual…)
Es el campo de fuerza asociado a piones emitidos por protones, neutrones y demás hadrones (ya sean bariones o mesones).
La responsable de mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico.
Y esto lo hace superando la repulsión electromagnética entre los protones con una misma carga eléctrica (positiva).
Haciendo que los neutrones (sin carga eléctrica) permanezcan unidos a los protones y entre ellos.
Resumiendo:
Es la responsable de la cohesión entre Protones y Neutrones.
Fuerza electromagnética
(O interacción electromagnética, es lo mismo no te líes)
Hablamos de electromagnetismo, al referirnos a la interacción de partículas cargadas con campos eléctricos y magnéticos.
Las partículas (cargadas) interactúan electromagnéticamente, mediante el intercambio de fotones y electrones.
Por ejemplo, la luz es un campo electromagnético oscilante que se irradia desde partículas cargadas aceleradas.
El electromagnetismo es una teoría de campos
Está basado en magnitudes físicas vectoriales (o tensoriales) dependientes de la posición en el espacio y del tiempo.
Resumiendo:
La electrodinámica cuántica entre la luz y la materia, en otras palabras.
Los protones y neutrones no son nada sin sus quarks.
Hago un inciso, porque me gustaría puntualizar la siguiente “fuerza”
Cada partícula (bajo la influencia de la gravedad) sólo se desplaza en una geodésica, no experimenta ninguna “fuerza” que, la desvíe de su inercia, para hacerla salir de esa geodésica.
Por lo que, si la gravedad no es considerada fuerza, pero sí las fuerzas eléctricas… Para mí es dar un rodeo que nos lleva a la misma conclusión.
La gravedad sí se puede considerar una fuerza.
Según Newton, cuyas leyes se siguen aplicando a nivel terrestre, decía que:
Los cuerpos en movimiento tienen una tendencia a la inercia (con la velocidad que lleve en origen).
Un movimiento rectilíneo y uniforme (a velocidad constante y misma dirección).
Pero…
- Si bien, una línea recta es la distancia más corta entre dos puntos.
- Dos líneas deberían concurrir paralelas, es decir, sin juntarse en ningún punto.
Ergo…
Se requiere “una fuerza” (la gravedad) para superar esa tendencia (la inercia).
Al referirnos a espacios curvos, como la superficie de la Tierra (que es donde estamos), la curvatura del espacio tiempo que, más tarde, teorizó Einstein (Relatividad Especial en 1.905 y General en 1.915) dice que:
“Cualquier sistema de coordenadas, debería ser permisible” y que, “un cuerpo (o partícula), viaja a través de una geodésica, sin influencia de la gravedad (como fuerza)”.
Así que…
Como son líneas imaginarias* proyectadas al espacio (por ejemplo, la elipse que dibuja un planeta en órbita…).
Y, para simplificar el asunto, la considero una fuerza.
*A ver, imaginarias. No están ahí (como la vía de un tren) y el planeta de marras sigue la ruta.
La trayectoria del planeta ha estado en ella, en diferentes puntos (y momentos).
Como cuando juntas los puntos numerados de un pasatiempos o dibujas una constelación.
No es más que una proyección, del movimiento (en línea recta, aunque la veamos curvada, cuando se tiene en cuenta la ligera curvatura del espacio-tiempo) durante una porción de espacio y tiempo.
Fuerza gravitatoria
(O interacción gravitacional)
Simplificando mucho, es la responsable de que tú no salgas volando cada vez que das un salto
La fuerza con la que las partículas (con masa) son atraídas por un cuerpo (generalmente, con mayor masa).
Esta ley establece que los cuerpos, por el simple hecho de tener masa, experimentan una fuerza de atracción hacia otros cuerpos con masa, denominada fuerza gravitatoria (o fuerza gravitacional).
Las fuerzas gravitacionales se basan en el principio de acción – reacción* o tercera ley de Newton, por lo tanto:
La fuerza con que la Tierra atrae a cualquier cuerpo con masa (tú y yo incluidos), es exactamente igual (en sentido contrario) a la fuerza con que los cuerpos (nosotros, por ejemplo) atraemos a la Tierra.
*A Newton se le ocurrió la tercera ley un día, mientras observaba a una madre cabreada lanzar una zapatilla a su vástago porque, probablemente, la había liado parda.
Esta valerosa musa matemática, al grito de “daaaleee, pero dale”, lanzaba su zapatilla** describiendo una parábola, hasta alcanzar el culo del muchacho.
**Isaac menciona “la zapatilla” en varias ocasiones. Lo que pasa, es que son textos antiguos, de cuando no estaba mal visto soltar la chancla a un hijo. Hecho lo suficientemente relevante para cambiarlo por manzana, que es más comercial.
Si todos los Chinos saltaran a la vez…
Tampoco iban a ir muy lejos.
No se alejarían lo suficiente de la superficie terrestre, como para experimentar alguna variación significativa en la gravedad.
Si medio millón de cántabros tiramos un sobao en el nacimiento del Ebro taponamos el río y dejamos España sin agua. https://t.co/zqfIXW4An2
— David Ceballos (@Cebs_) 19 de septiembre de 2017
¿Y si todos los humanos abandonamos la Tierra a la vez?
Pues por muy Influencer que nos sintamos…
La Tierra no nos seguirá, lamentablemente.
Y esto es así, porque nuestra masa (la de todos los humanos) es muy inferior a la de la Tierra, ergo, el planeta se sentirá más ligero (en su superficie).
Pero no tanto por variación de masa que lo atrae (mínimamente), como por la plaga que se habría quitado de encima.
Resumiendo:
La gravedad te hace atractiva, pero también pesada.
Las leyes de Newton funcionan a nivel planetario.
Pero no a escala universal y fueron “reemplazadas” por:
La teoría de la Relatividad de Einstein.
Que, a su vez, falla a nivel de partículas subatómicas*.
EL VACÍO CUÁNTICO (Energía del punto cero)
Cuando hablamos de vacío, hablamos de vacío que contiene ondas electromagnéticas fluctuantes y partículas que saltan dentro (y fuera) de la existencia.
El vacío no está vacío, empezamos bien.
No me gusta presumir pero...
