Interacciones Y M.A.S

1. Interacciones.

 Definición.

En el campo de la física podemos decir que una interacción es un vocablo que describe a una acción que se desarrolla de modo reciproco entre dos o más organismos, agentes, unidades, sistemas, fuerzas o funciones.

Entre las interacciones encontramos las fundamentales que son cada una de las clases básicas de interacción que se pueden detectar en relación a las denominadas partículas elementales. Según el modelo estándar, las partículas que interaccionan con las partículas materiales, fermiones, son los bosones. Existen 4 tipos de interacciones fundamentales: interacción nuclear, interacción eléctrica, interacción magnética e interacción gravitatoria. Casi toda la historia de la física moderna se ha centrado en la unificación de estas interacciones.

La comunidad científica prefiere el nombre de interacciones fundamentales al de fuerzas debido a que con ese término se pueden referir tanto a las fuerzas como a los decaimientos que afectan a una partícula dada.2

Por otra parte, es interesante mencionar que algunos especialistas consideran que el Universo podría estar en medio de un proceso de expansión con una tasa de aceleración. La cosmología física intenta explicar esta situación por medio de la hipótesis de la energía oscura, una modalidad supuesta de energía que podría llegar a impregnar todo el espacio, generaría una presión negativa y podría aumentar la tasa de expansión del Universo, constituyéndose como una fuerza gravitacional de tipo repulsivo.

 Clasificación.

Existen varios tipos de interacciones, entre ellas las interacciones fundamentales las cuales son:

 Interacción gravitatoria.

Consiste en la fuerza de atracción mutua que se produce entre dos objetos del Universo, debido a una propiedad común a todos ellos denominada masa.

La interacción gravitatoria puede producirse a distancias muy grandes (distancias astronómicas), pero el módulo o medida de la fuerza de interacción es muy pequeña.

Esta es la interacción responsable de que se permanezca pegado al suelo, o de que si, estando de pie y lanza un balón hacia arriba, y éste vuelva a sus manos.

Es la más débil de todas, afecta a todos los tipos de partículas, tiene carácter exclusivamente atractivo y su alcance es infinito. Es la más conocida de las interacciones, (y al mismo tiempo es la fuerza más misteriosa, ya que el modelo estándar no puede explicar satisfactoriamente por qué es tan débil y por qué afecta a todas las partículas con carga y sin carga, e incluso a las sin masa como el fotón) debido a que a grandes distancias, por su efecto acumulativo con la masa, tiene mayor efecto que las demás.

La interacción gravitatoria, hace que cualquier tipo de materia provista de energía interaccione entre sí. Para formas de materia ordinaria cuyo tensor energía-impulso satisface ciertas condiciones de positividad, tendrá un carácter atractivo. Según la Teoría de la Relatividad, que se encarga de estudiar el comportamiento de esta interacción a escala planetaria y supragaláctica, la interacción gravitatoria es una manifestación de la deformación que sufre el espacio-tiempo por la presencia de objetos con masa. Esto quiere decir que la teoría de la relatividad general descubre a la interacción gravitatoria como una Curvatura del espacio-tiempo. Su estudio comenzó con Newton, al proclamar su célebre ley de atracción universal, siendo en la actualidad desarrolladas ideas sobre la misma a partir de la relatividad general de Einstein. La teoría newtoniana de la gravitación es una aproximación no-relativista a la interacción gravitatoria. La interacción gravitatoria es la responsable de los movimientos a gran escala en todo el universo, ya que es la que hace que los planetas sigan órbitas predeterminadas alrededor del Sol. Isaac Newton fue la primera persona en darse cuenta que la fuerza que hace que las cosas caigan con aceleración constante en la Tierra y la fuerza que mantiene en movimiento los planetas y las estrellas era la misma, y a él le debemos la primera teoría general de la gravitación.

Según la hipótesis del modelo estándar, la interacción gravitatoria, gravitación o fuerza de la gravedad, es transmitida por el gravitón. Cabe indicar que la teoría de la gravitación, en su formulación actual, no es una interacción que sea muy consistente con la descripción usual de la física de partículas. Sin embargo, debido a que la gravitación aparece sólo en distancias muy por encima del radio atómico esto permite en la práctica usar ambas teorías simultáneamente sin encontrar conflicto, en la mayoría de situaciones prácticas.

 Interacciones nucleares.

Son aquellas que aparecen únicamente en el interior del núcleo atómico, originando fuerzas de gran intensidad. Esta interacción dominante de la Física Nuclear de alta energía, aglutina los nucleones (neutrones y protones) para formar los núcleos de todos los elementos. Como el núcleo del átomo tiene un diámetro cuyo orden de magnitud es de 10-15 m, ocurre que a esta distancia tan pequeña la fuerza de repulsión entre los protones es muy grande, sin embargo los protones se mantienen en el núcleo y el átomo goza de estabilidad.

Esto se debe a que entre dos protones, entre dos neutrones y entre un protón y un neutrón, existe una fuerza de atracción mutua, aproximadamente diez veces superior a la fuerza eléctrica de repulsión, que recibe el nombre de fuerza nuclear. Las interacciones nucleares pueden ser débiles o fuertes.

- Interacción nuclear fuerte.

La interacción fuerte, también conocida como interacción nuclear fuerte, es la interacción que permite unirse a los quarks para formar hadrones. La interacción electromagnética se da entre partículas cargadas eléctricamente, aquí las partículas también tienen carga, la carga de color. A pesar de que su radio de acción es el más fuerte, sólo se le aprecia a muy cortas distancias tales como el radio atómico. Según el modelo estándar, la partícula mediadora de esta fuerza es el gluón. La teoría que describe a esta interacción es la cromodinámica cuántica (QCD) y fue propuesta por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross en la década de 1980.

Como resultado colateral de la interacción entre quarks, existe una manifestación de la fuerza nuclear fuerte que explica que dentro del núcleo atómico a los protones y neutrones. Debido a la carga positiva de los protones, para que éstos se encuentren estables en el núcleo debía existir una fuerza más fuerte que la electromagnética para retenerlos. Ahora sabemos que la verdadera causa de que los protones y neutrones no se desestabilicen es la llamada interacción fuerte residual. Esta interacción entre nucleones (protones y neutrones) se produce a través de parejas de quark-antiquark en forma de piones.

- Interacción nuclear débil.

La interacción débil, también conocida como interacción nuclear débil, se acopla a un tipo de carga llamada sabor, que la poseen los quarks y los leptones. Es responsable de la radiactividad natural que presentan algunos materiales. Esta interacción es la causante de los cambios de sabor en estas partículas, en otras palabras es la responsable que de quarks y leptones decaigan en partículas más livianas, además es la que produce desintegraciones beta. La teoría de Glashow-Weinberg-Salam estudia la interacción débil y la electrodinámica cuántica de manera unificada en lo que se llama Modelo electrodébil. De todas las interacciones fundamentales esta es la menos estudiada.

Según el modelo estándar, la interacción débil es mediada por los bosones W y Z que son partículas muy masivas. Su intensidad es menor que la intensidad de la electromagnética y su alcance es menor que el de la interacción fuerte. Al igual que la interacción fuerte y la gravitatoria es esta una interacción únicamente atractiva.

 Interacción eléctrica.

La interacción eléctrica es aquella que se trata únicamente de dos cargas, la dirección de la fuerza coincide con la recta que une ambas cargas.

El sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas son de signo contrario.

Henry Coulomb dedujo que la fuerza con que se atraen o repelen dos cuerpos pequeños electrizados es mayor cuanto mayor sean las cargas y cuanto menor la distancia que las separa. Podemos así determinar la intensidad de la fuerza eléctrica.

Toda la materia está formada por átomos y éstos poseen un núcleo en el que se encuentran los protones (con carga positiva) y los neutrones (sin carga eléctrica) y girando alrededor en órbitas distintos niveles de energía están los electrones (con carga negativa).

Los átomos de todos los cuerpos en estado neutro poseen la misma cantidad de electrones que de protones. Los cuerpos pueden cargarse eléctricamente, con carga positiva

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