Unificacion Fisica
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La historia de la unificación de la Física
Viernes, 26 septiembre 2008 por qbit
Índice.
Introducción.
1. Relatividad y mecánica clásica.
2. Electromagnetismo.
3. Relatividad especial, general y mecánica relativista.
4. Mecánica cuántica.
5. Modelo Electrodébil.
6. Modelo Estándar.
7. Intentos de unificación completa.
Introducción.
Considero que Galileo y Newton fueron los que dieron comienzo a la Físicapropiamente dicha. Desde entonces, esta rama de la ciencia ha seguido un proceso de acumulación de conocimientos con el objetivo de unificar todo el conocimiento en una única teoría que lo explique todo. Cada salto cualitativo en la Física ha venido acompañado de su respectivo salto en las Matemáticas.
Hay que observar que este proceso se ha realizado generalizando teorías anteriores, y es que, en efecto, las antiguas teorías, aunque no sirven para explicar fenómenos nuevos, sí funcionan muy bien para aquéllo para lo que fueron realizadas, por lo que su sustitución lógica consiste en obtener una nueva teoría que generalice la anterior, haciendo que la antigua teoría sea un caso particular de la nueva teoría más general. Estos saltos cualitativos se producen cuando previamente se han adquirido muchos conocimientos, observando problemas en la vieja teoría, haciendo que la “fruta” esté madura para caer del árbol.
He intentado mostrar cuáles son los principales hitos históricos en ese proceso de unificación de la Física, o lo que es lo mismo, de la historia de la Física:
1. Relatividad y mecánica clásica.
Johannes Kepler (1571-1630) describió por primera vez el movimiento de los planetas con sus leyes de Kepler.
Johannes Kepler
Galileo Galilei (1564-1642) reflexionó sobre el movimiento de los cuerpos, estableciendo lo que se puede considerar la relatividad clásica o de Galileo.
Galileo Galilei retratado por Leoni
Isaac Newton (1643-1727) en su obra “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” estableció las tres leyes de Newton del movimiento, basándose en la relatividad de Galileo, estableciendo así la base de la mecánica clásica, así como la ley de Gravitación Universal. Con las leyes de Newton y la ley de la Gravitación Universal, se pueden deducir y explicar las Leyes de Kepler.
Isaac Newton en 1702, por G. Kneller
La mecánica clásica fue un gran adelanto para explicar el funcionamiento del mundo macroscópico y de velocidades mucho menores que la de la luz, esto es, para explicar los fenómenos cotidianos y el movimiento planetario.
Newton y Gottfried Leibniz (1646-1716) descubrieron (de manera independiente ambos) el cálculo integral y diferencial. En la actualidad se emplea la notación de Leibniz.
Gottfried Wilhelm von Leibniz
2. Electromagnetismo.
James Clerk Maxwell (1831-1879) unificó todo el conocimiento sobre electricidad, magnetismo y óptica realizado en el pasado por Ampere, Coulomb, Faraday, Gauss y otros, con sus cuatro ecuaciones de Maxwell en 1864. Estas ecuaciones describen todos los fenómenos electromagnéticos, unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético.
James Clerk Maxwell
Matemáticamente, produzco la aparición de teorías de campo de gauge.
Un hecho llamativo de esta teoría es que predice la velocidad de la luz en el vacío.
3. Relatividad especial, general y mecánica relativista.
Las ecuaciones de Maxwell sin embargo, entraban en conflicto con la mecánica clásica. Para compatibilizarlas, los científicos se vieron en la necesidad de inventar extraños conceptos artificiales como el éter que mantuvieran vigente la idea del movimiento absoluto. Finalmente, Albert Einstein (1879-1955) enunció la Teoría Especial de la Relatividad, (1905), que generalizaba la relatividad de Galileo, y con ella, surgió la mecánica relativista, que amplía a la mecánica clásica en la explicación de los fenómenos de velocidades cercanas a la de la luz.
Albert Einstein en 1921
Con la Teoría General de la Relatividad, (1915), una teoría de gravitación que cumple la Teoría Especial de la Relatividad, generalizó la ley de la Gravitación Universal de Newton, proporcionando una interpretación geométrica del campo gravitatorio.
Hechos llamativo son la relativización del tiempo y el espacio, la absolutización de las leyes fundamentales, la equivalencia masa-energía (E=mc^2) o el Principio de Equivalencia.
4. Mecánica cuántica.
La mecánica cuántica se inició con Max Planck (1858-1947), y recibió contribuciones importantes de: De Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Bohr, etc. La mecánica cuántica explica los fenómenos de lo muy pequeño (átomos y partículas subatómicas), siempre que su velocidad no se acerque a la de la luz.
Max Planck en 1929:
La mecánica cuántica descubrió que además de las dos fuerzas o interacciones fundamentales conocidas, (electromagnetismo y gravedad), existían otras dos más: interacciones nucleares fuerte y débil.
Hechos llamativos de la mecánica cuántica son: la dualidad onda-partícula, la cuantización de la energía y el principio de incertidumbre.
La Teoría Cuántica de Campos pretende cuantizar los campos continuos, y fue desarrollada entre finales de los años 1920 y 1950 por Dirac, Pauli, Feynman, etc. Un ejemplo es la electrodinámica cuántica (teoría cuántica del campo electromagnético).
5. Modelo Electrodébil.
El Modelo Electrodébil unifica el electromagnetismo y la interacción nuclear débil, dos de las cuatro fuerzas fundamentales. Muestra que el electromagnetismo y la interacción nuclear débil son en realidad una única fuerza a altísimas temperaturas, que se muestran como distintas a las temperaturas del mundo cotidiano. El modelo electrodébil fue desarrollado en los años 1960 porGlashow, Salam y Weinberg.
6. Modelo Estándar.
El Modelo Estándar de la Física de partículas es una teoría cuántica de campos que explica (pero no unifica) tres de las cuatro interacciones fundamentales (electromagnetismo, interacción nuclear fuerte e interacción nuclear débil), dejando solamente a la gravedad fuera. Fue desarrollada en los años 70 del siglo XX, y es consistente con la mecánica cuántica y la relatividad especial.
El Modelo Estándar describe todas las partículas basándose en partículas fundamentales de materia (6 quarks, 6 leptones y sus antipartículas), y partículas portadoras de fuerzas (como el fotón).
7. Intentos de unificación completa.
Se han realizado varias Teorías de Gran Unificación que unifican la interacción nuclear fuerte con la electrodébil, pero no se han podido verificar experimentalmente pues requieren experimentos de muy alta energía que los aceleradores de partículas no pueden realizar (siguiendo la misma idea del modelo electrodébil, que supone que todas las fuerzas o interacciones fundamentales son la misma a altísimas temperaturas). Estas teorías explicarían todos los fenómenos de la materia en una sola teoría.
Por el momento, la gravedad es explicada por la Teoría General de la Relatividad mientras que las otras 3 interacciones fundamentales son explicadas por teorías cuánticas de campos, unificadas en las Teorías de Gran Unificación mencionadas antes. No se ha podido realizar una teoría cuántica de la gravedad que permita la unificación definitiva en una teoría de todo, aunque hay varios intentos.
Los principales son las 5 teorías de cuerdas y la teoría M que pretende unificarlas. A las teorías de cuerdas actuales se les llama “teorías de supercuerdas” porque se ha introducido la supersimetría en ellas. Es decir, las teorías de supercuerdas son teorías de cuerdas supersimétricas. Sin embargo, muchos consideran a estas teorías de cuerdas pseudociencias porque no son validables experimentalmente.
Teorías de la unificación de la física
Introducción.
Galileo y Newton fueron los que dieron comienzo a la Física propiamente dicha. Desde entonces, esta rama de la ciencia ha seguido un proceso de acumulación de conocimientos con el objetivo de unificar todo el conocimiento en una única teoría que lo explique todo. Cada salto cualitativo en la Física ha venido acompañado de su respectivo salto en las Matemáticas.
Hay que observar que este proceso se ha realizado generalizando teorías anteriores, y es que, en efecto, las antiguas teorías, aunque no sirven para explicar fenómenos nuevos, sí funcionan muy bien para aquello para lo que fueron realizadas, por lo que su sustitución lógica consiste en obtener una nueva teoría que generalice la anterior, haciendo que la antigua teoría sea un caso particular de la nueva teoría más general. Estos saltos cualitativos se producen cuando previamente se han adquirido muchos conocimientos, observando problemas en la vieja teoría, haciendo que la “fruta” esté madura para caer del árbol.
Los principales hitos históricos en ese proceso de unificación de la Física, o lo que es lo mismo, de la historia de la Física:
1. Relatividad y mecánica clásica.
Johannes Kepler (1571-1630) describió por primera vez el movimiento de los planetas con sus leyes de Kepler.
Galileo Galilei (1564-1642) reflexionó sobre el movimiento de los cuerpos, estableciendo lo que se puede considerar la relatividad clásica o de Galileo.
Isaac Newton (1643-1727) en su obra “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” estableció las tres leyes de Newton del movimiento, basándose en la relatividad de Galileo, estableciendo así la base de la mecánica clásica, así como la ley de Gravitación Universal. Con las leyes de Newton y la ley de la Gravitación Universal, se pueden deducir y explicar las Leyes de Kepler.
La mecánica clásica fue un gran adelanto para explicar el funcionamiento del mundo macroscópico y de velocidades mucho menores que la de la luz, esto es, para explicar los fenómenos cotidianos y el movimiento planetario.
Newton y Gottfried Leibniz (1646-1716) descubrieron (de manera independiente ambos) el cálculo integral y diferencial. En la actualidad se emplea la notación de Leibniz.
2. Electromagnetismo.
James Clerk Maxwell (1831-1879) unificó todo el conocimiento sobre electricidad, magnetismo y óptica realizado en el pasado por Ampere, Coulomb, Faraday, Gauss y otros, con sus cuatro ecuaciones de Maxwell en 1864. Estas ecuaciones describen todos los fenómenos electromagnéticos, unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético.
Un hecho llamativo de esta teoría es que predice la velocidad de la luz en el vacío.
3. Relatividad especial, general y mecánica relativista.
Las ecuaciones de Maxwell sin embargo, entraban en conflicto con la mecánica clásica. Para compatibilizarlas, los científicos se vieron en la necesidad de inventar extraños conceptos artificiales como el éter que mantuvieran vigente la idea del movimiento absoluto. Finalmente, Albert Einstein (1879-1955) enunció la Teoría Especial de la Relatividad, (1905), que generalizaba la relatividad de Galileo, y con ella, surgió la mecánica relativista, que amplía a la mecánica clásica en la explicación de los fenómenos de velocidades cercanas a la de la luz.
Con la Teoría General de la Relatividad, (1915), una teoría de gravitación que cumple la Teoría Especial de la Relatividad, generalizó la ley de la Gravitación Universal de Newton, proporcionando una interpretación geométrica del campo gravitatorio.
Hechos llamativo son la relativización del tiempo y el espacio, la absolutización de las leyes fundamentales, la equivalencia masa-energía (E=mc^2) o el Principio de Equivalencia.
4. Mecánica cuántica.
La mecánica cuántica se inició con Max Planck (1858-1947), y recibió contribuciones importantes de: De Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Bohr, etc. La mecánica cuántica explica los fenómenos de lo muy pequeño (átomos y partículas subatómicas), siempre que su velocidad no se acerque a la de la luz.
La mecánica cuántica descubrió que además de las dos fuerzas o interacciones fundamentales conocidas, (electromagnetismo y gravedad), existían otras dos más: interacciones nucleares fuerte y débil.
Hechos llamativos de la mecánica cuántica son: la dualidad onda-partícula, la cuantización de la energía y el principio de incertidumbre.
La Teoría Cuántica de Campos pretende cuantizar los campos continuos, y fue desarrollada entre finales de los años 1920 y 1950 por Dirac, Pauli, Feynman, etc. Un ejemplo es la electrodinámica cuántica (teoría cuántica del campo electromagnético).
5. Modelo Electrodébil.
El Modelo Electrodébil unifica el electromagnetismo y la interacción nuclear débil, dos de las cuatro fuerzas fundamentales. Muestra que el electromagnetismo y la interacción nuclear débil son en realidad una única fuerza a altísimas temperaturas, que se muestran como distintas a las temperaturas del mundo cotidiano. El modelo electrodébil fue desarrollado en los años 1960 por Glashow, Salam y Weinberg.
6. Modelo Estándar.
El Modelo Estándar de la Física de partículas es una teoría cuántica de campos que explica (pero no unifica) tres de las cuatro interacciones fundamentales (electromagnetismo, interacción nuclear fuerte e interacción nuclear débil), dejando solamente a la gravedad fuera. Fue desarrollada en los años 70 del siglo XX, y es consistente con la mecánica cuántica y la relatividad especial.
El Modelo Estándar describe todas las partículas basándose en partículas fundamentales de materia (6 quarks, 6 leptones y sus antipartículas), y partículas portadoras de fuerzas (como el fotón).
7. Intentos de unificación completa.
Se han realizado varias Teorías de Gran Unificación que unifican la interacción nuclear fuerte con la electrodébil, pero no se han podido verificar experimentalmente pues requieren experimentos de muy alta energía que los aceleradores de partículas no pueden realizar (siguiendo la misma idea del modelo electrodébil, que supone que todas las fuerzas o interacciones fundamentales son la misma a altísimas temperaturas). Estas teorías explicarían todos los fenómenos de la materia en una sola teoría.
Por el momento, la gravedad es explicada por la Teoría General de la Relatividad mientras que las otras 3 interacciones fundamentales son explicadas por teorías cuánticas de campos, unificadas en las Teorías de Gran Unificación mencionadas antes. No se ha podido realizar una teoría cuántica de la gravedad que permita la unificación definitiva en una teoría de todo, aunque hay varios intentos.
Los principales son las 5 teorías de cuerdas y la teoría M que pretende unificarlas. A las teorías de cuerdas actuales se les llama “teorías de supercuerdas” porque se ha introducido la supersimetría en ellas. Es decir, las teorías de supercuerdas son teorías de cuerdas supersimétricas. Sin embargo, muchos consideran a estas teorías de cuerdas pseudociencias porque no son validables experimentalmente.
http://www.youtube.com/watch?v=JRdUKprSMDs
www.taringa.net/posts/info/15585865/Las-Cuatro-Fuerzas-Y-Teoria-de-la-Unificacion.html
prezi.com/jqy5rzjkejx_/teoria-de-la-unificacion-de-la-fisica/
2.5 Teoría de la Unificación de la Física
2.5 Teoría de la Unificación de la Física
En lo que refiere a la unificación de fuerzas se puede decir que se ha tratado de hacer, en la época de Newton, surge la primera unificación de Fuerza la Gravitación Universal, un tiempo después.
Todavía en la antigüedad se creía que solo tres fuerzas habían; la fuerza de la gravitación, la fuerza de electricidad, la fuerza del magnetismo.
Pero, luego de hacer experimentos se logro la primera unificación de la electricidad y el magnetismo con ayuda de Maxwell.
Es entonces que en el año 1860, se pensó que solo había dos fuerzas.
Hasta que el siglo XX de se dio un conocimiento de la estructura microscópica de la materia y se identifico como la interacción débil y la interacción fuerte. Y entonces en lugar de dos fuerzas, había ya aparecido cuatro fuerzas. La Gravitatoria, la Electromagnética, la débil y la fuerte. Datos que no duro mucho tiempo por que en los años 60 del siglo pasado, la teoría de Weinberg-Salam (ganadores de premio Nobel por unificación electro-débil) demostró basado en experimentos que la electromagnética y la débil son solo una fuerza.
Por lo tanto, solo quedaron reconocidas tres fuerzas; la gravitatoria, la electro-débil y la fuerte. Claro que son teoría que tenemos hoy en día por que se han podido demostrar en base de experimentos.
Pero, muchos Físicos en la actualidad argumentan con algunas teorías que la fuerza fuerte es la misma que la electro-débil, esto sin poder demostrarlo con experimentos. Hasta que se logre demostrar esta hipótesis se lograría una nueva unificación que los físicos llamarían las Gran Unificación y solo quedarían dos fuerzas; la gravitatoria y la electro-magneto-fuerte-débil, seria mejor tener un nombre mas simplificado en dado que surgiera la unificación.
Física Avanzada 5
La unificación final o teoría del Todo: ¿Cuántas fuerzas hay en la Naturaleza? ¿Una, dos, tres, cuatro...?
Realmente no lo sabemos a ciencia cierta. Hemos identificado hasta cuatro fuerzas (llamadas interacciones): la gravitatoria, la electromagnética, la fuerte y la débil (ver el Experimento 1 donde se identifican en la clase). Pero pudiera ser que algunas fuerzas fueran en realidad la misma, o sea que estemos dando nombres diferentes a lo que sería la misma interacción. En ese caso habría menos de cuatro fuerzas... y quizá sólo una si al final resultara que todas son lo mismo con diferentes nombres. A eso se le llama "unificación" de las fuerzas. Por poner un ejemplo, la primera unificación importante la hizo Newton al darse cuenta de que la fuerza que nos pega al suelo (el peso) es la misma que la fuerza que hace girar a la Luna alrededor de la Tierra, a la Tierra alrededor del Sol, etc. Es la fuerza de la gravitación universal.
Repasemos la historia del conocimiento de las fuerzas de la Naturaleza. Es divertido, porque, aunque parece que la humanidad (o los físicos, al menos) han estado dando bandazos sin saber cuántas fuerzas hay, esconde una hermosa historia de búsqueda de lo simple y lo profundo. Al principio pensábamos (Aristóteles) que había una sóla fuerza, la gravitatoria. Más tarde, aún en la antigüedad, creían que tres (la gravitatoria, la electricidad y el magnetismo). Pero luego supimos que la electricidad y el magnetismo son la misma cosa vista desde dos distintos puntos de vista (ésta fue la primera unificación de verdad, obra de Oersted, Faraday y, finalmente, Maxwell, con sus ecuaciones del electromagnetismo propuestas en 1860), así que pensábamos que sólo había dosfuerzas (la gravitatoria y la electromagnética). El siglo XX nos trajo un conocimiento hasta entonces imposible de la estructura microscópica de la materia, y se identificaron la interacción débil y la fuerte. Cuatro fuerzas, por consiguiente: la gravitatoria, la electromagnética, la fuerte y la débil. Esto es lo que explican muchos libros de texto (las "cuatro fuerzas"), pero la historia no acaba ahí.
A la fuerza débil le duró muy poco su independencia, porque en los años 60 del pasado siglo, la teoría Weinberg-Salam demostró que la fuerza electromagnética y la débil son una. Esta teoría ha sido comprobada experimentalmente, así que nadie duda hoy de que hay tres fuerzas: la gravitación, la electrodébil y la fuerte. Eso es lo que sabemos de cierto en la actualidad.
Sin embargo, tenemos una excelente teoría (aceptada por la mayoría de los físicos) que demuestra que la fuerza fuerte es lo mismo que la electrodébil (como siempre, vista desde otro punto de vista), pero por desgracia aún no ha podido ser comprobada con los experimentos. Si se comprobara experimentalmente, obviamente sólo quedarían dos fuerzas (la gravitatoria y la electro-magneto-fuerte-débil; habría que simplificar ese nombre, ¿no?) y a esto los físicos le llaman teoría de la gran unificación. Hay muchos físicos trabajando en esa teoría; la recompensa es, seguro, el Premio Nobel (igual que a Steven Weinberg y a Abdus Salam se lo dieron en 1979 por la unificación electrodébil).
Pero: ¿qué pasa con la gravitación? ¿Nadie se atreve con ella? No hemos mencionado intentos de unificarla. A primera vista la cosa parece fácil: tanto la gravitación como el electromagnetismo son fuerzas que decaen como el cuadrado de la distancia (la fuerte y la débil, no). Esto parece algo profundo, pero, sin embargo, nadie ha demostrado que sean aspectos diferentes de una misma cosa. No se han unificado.
Una de las razones es que, aunque tengan la misma dependencia con la distancia, son extremadamente diferentes en su intensidad: la fuerza de la gravedad es unas 1040 veces más débil que, por ejemplo, la eléctrica. Esto hace que sea extremadamente difícil experimentar con la gravedad a escala microscópica (que es donde conocemos bien a las otras fuerzas). Pero otra de las razones, quizá la más importante, es que la gravedad, tal como la entendemos hoy (la relatividad general de Einstein) es la más extraña de las fuerzas. En realidad aún no sabemos qué es la gravedad. El mismo Einstein, al proponer la conexión entre la gravitación y la geometría del espacio-tiempo, se dio cuenta de que separaba completamente a la gravedad del resto de las fuerzas. La gravedad, estrictamente, ya no es una fuerza (una interacción): en lugar de afectar simplemente al equilibrio o movimiento de un cuerpo (como las otras fuerzas), la gravedad transforma la geometría del espacio-tiempo a su alrededor. Para superar esta separación, Einstein intentó durante los años finales de su vida desarrollar una "teoría de campo unificada" para todas las interacciones físicas. No lo consiguió, y es claro que, si un genio como él fracasa, mejor tomar otro camino. De hecho, la inmensa mayoría de los físicos actuales van en sentido contrario: en vez de intentar describir las otras fuerzas en el marco de la gravitación einsteniana tratan de describir la gravedad en el marco de la mecánica cuántica.
A eso le llaman teoría cuántica de la gravedad, pero, siendo realistas, hay que decir que no existe hasta hoy tal teoría cuántica de la gravedad: los físicos han fracasado hasta ahora en su intento de inventarse una teoría de la gravitación que esté de acuerdo con los principios cuánticos y de incertidumbre. Einstein fracasó en un sentido; el resto fracasó en el otro... hasta ahora. Entender la gravedad es uno de los grandes retos (si no el mayor) de la física teórica para el presente siglo.
Pero supongamos que llegamos a tener una teoría cuántica de la gravedad que supere a la actual de Einstein (tal cosa no es fácil porque, hasta el momento, todos y cada uno de los experimentos y observaciones astrofísicas realizados están estrictamente de acuerdo con la relatividad general de Einstein). Pero si tuviéramos tal teoría de la gravitación, habría que investigar además si es o no "unificable" con las demás interacciones. Para ello hay dos caminos que ya hemos indicado: la experimentación en laboratorios de altas energías y las observaciones astrofísicas. El primer camino es prácticamente imposible, ya que harían falta laboratorios que aceleraran a las partículas de prueba hasta energías inconcebibles (1040 electron-voltios, en las unidades de los físicos de partículas) cuando los más potentes aceleradores actuales llegan a 1012 electron-voltios, o sea un-uno-seguido-de-28-ceros menos potentes que lo que necesitamos. Durante mucho, muchísimo tiempo, todo avance en nuestro entendimiento de esa fuerza misteriosa que es la gravitación debe venir de las observaciones astrofísicas.
A la hipotética unificación de todas las fuerzas se la llama Teoría del Todo. Aún estamos muy lejos de ella
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