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LA FISICA CUANTICA DE LAS PARTICULAS ELEMENTALES [EQUATION][EQUATION]Entre las muchas maneras de ver y de valorar al mundo, destacan 2 grandes visiones: una considera la unidad de todas las cosas, la cohesion ultima del universo... la otra parcela, fracciona, subdivide: percibe la variedad, la multiplicidad de aquello que los filosofos llaman “los entes“ En la amplia realidad, la primera vision advierte, sin olvidar las diferencias, la coherencia del universo, su consistencia profunda y recia -y acaso por eso mismo descubre un sentido en todo lo existente. La otra vision discierne en lo que hay, sin descuidar las relaciones y las interdependencias, lo diverso del Cosmos y sus manifestaciones.[EQUATION][EQUATION] escritor David Huerta
La busqueda de los componentes finales de la materia. El concepto de particula elemental se remonta al concepto de atomo, desarrollado por algunos filosofos griegos, y tiene que ver con la preguntas ? de que esta hecho el mundo ?, ?que lo mantiene unido ? ?cual es la naturaleza ultima de la materia ? ? tiene un limite su divisibulidad ? y esta relacionado con la naturaleza del espacio, de la masa y con la naturaleza del tiempo y del movimientoñ todos estos temas los resuelve, hasta cierto grado, la Fisica de las Particulas Elementales. que se desarrollo a partir de la Fisica Nuclear, y que indaga en lo mas profundo de la materia, y en los experimentos emplea las energias mas grandes que se pueden obtener en los modernos laboratorios de Fisica. A la fisica de Particulas Elementales se la llama con frecuencia: Fisica de Altas Energias veremos el desarrollo historico que conduce a la misma: hipotesis atomica de Prout y Dalton, descubrimiento del electron y de la radiactividad, descubrimiento del nucleo de los atomos, la fisica cuantica o el estudio de la estructura del atomo y sus espectros opticos, los aceleradores de particulas y la fisica nuclear nacimiento de la FPE como continuacion de la fisica nuclear usando energias mas grandes llamada Teoria Cuantica del Campo, mas adelante veremos ?que es lo cuantico? Se habla de un Campo porque como la teoria del Campo Electromagnetico, que describe la conducta de los Campos Electricos y Magneticos, la Teoria Cuantica o Mecanica Cuantica, describe la conducta de una “funcion de onda“ que describe a los electrones en los atomos, por dar solo un ejemplo. Una definicion de ?que es una particula elemental? seria, segun el fisico Eugen Wigner: “Una particula es un objeto puntual (sin dimensiones) que se mueve en el espacio-tiempo“ La palabra “particula“ fue introducida en la Mecanica Newtoniana del siglo 17. Vino una epoca cuando los cientificos comenzaron a creer en los atomos. Las leyes de las
combinaciones quimicas surgen de la hipotesis atomica. Una Teoria del Calor que tuvo exito fue establecida por Daniel Bernoulli en 16XX; a pesar de esto, muchos no creian en la existencia del atomo hasta principios de este siglo, hasta que fue evidente analizando el fenomeno del movimiento Browniano: particulas de polen puestas en la superficie de un liquido ejecutaban un movimiento al azar, que fue explicado diciendo que las moleculas del liquido golpean al polen y le originan ese movimiento. El quimico Prout, en 1813, vio la tendencia de los pesos atomicos a ser casi multiplos enteros del Hidrogeno. Y sugirio que todos los atomos estaban construidos con atomos de hidrogeno. Ahora sabemos que esto es esencialmente correcto, pero su hipotesis tenia sus pros y sus contras. La simplicidad subyaciente que Prout sintio, estaba ahi, pero tomo mas de un siglo en tomar raices profundas. La tabla periodica de Mendeleiev era correcta, predecia la existencia de los elementos escandio, galio y el germanio. Las propiedades de los atomos varian sistematicamente. ? no implica estructura el orden ? Este concepto, en la moderna teoria Cuantica, debe ser precisado: se habla de una dualidad particula-onda: la materia, segun el experimento que se considere, exhibe propiedades de particula o de onda. Una onda seria, por ejemplo, el movimiento de arrastre en la superficie del agua, luego de perturbarla tirando una piedra. Historicamente, lo que se consideraba una particula como un atomo, posteriormente se encontro que tenia una estructura espacial y componentes: protones, electrones. asi lo que ahora se considera una particula, en el futuro, con mayor desarrollo experimental, podria tener una estructura, no ser ya elemental. La teoria mas exitosa en explicar los datos experimentales, es la teoria unificada de las 3 fuerzas fisicas, y su derivado: el Modelo Estandard. Este modelo es tan fundamental para la Fisica, como la Tabla Periodica de los Elementos es para la Quimica. El Modelo explica cientos de particulas sub-atomicas y sus propiedades al postular 6 constituyentes basicos llamados Quarks y otras 6 llamadas Leptones, de las cuales toda la materia esta hecha. Sin embargo a pesar de su exito, este Modelo no responde a todas las preguntas, como: ? que valores numericos tienen las masas de quarks y de leptones ? y a preguntas mas dificiles como: ? se debe unificar tambien la fuerza gravitacional ? ¿ cual es el origen de las cargas electricas ? ¿ esta cuantizado el espacio y el tiempo ?. ¿ es la Naturaleza solo una coincidencia fortuita de atomos ? Del modelo Estandard se derivan lan fuerzas nucleares y la fuerza electromagnetica, se clasifican todas las particulas conocidas, en familias o “multipletes“. Existe una conexion de esta rama de la Fisica, con la Astrofisica y con la Cosmologia. En la teoria de la Gran Explosion: esta la propuso el abate Lemaitre luego que los
astronomos encontraron que el Universo se esta expandiendo, extrapolando la expansion al pasado, Lemaitre llego a la conclusion que nuestro universo partio de un atomo primordial, que ocupaba una region pequeñisima del espacio y que por razones que desconocemos aun, este atomo exploto y se expandio. La materia despedida a altisima temperatura, se fue enfriando y se fue formando la materia nuclear: nucleos y electrones, y por atraccion gravitacional se formaron las estrellas y las galaxias. la teoria de la gran explosion tiene sus criticos que le encuentran fallas experimentales En esta teoria se consideran las siguientes eras: historicamente, desde los filosofos griegos anteriores a Socrates, ya especulaban sobre la estructura de la materia y del espacio y el tiempo. Segun el filosofo griego Aristoteles, el espacio esta lleno continuamente: no hay atomos discretos, separados por distancias. en contraste, los atomistas griegos como Democrito, afirmaban la estructura discreta de la materia: atomos no divisibles en componentes menores. Atomo quiere decir en español, que no tiene partes. las ideas de Platon son mas dificiles de interpretar, en cuanto a sus hipotesis, Heisenberg las revalora en la epoca actual, de hecho, este se hizo Fisico por su influencia, en su juventud Heisenberg leyo la obra de Platon titulada El Timeo. xxx?Cual es el objeto de la busqueda: historiador Pierre Thuillier leyes variacionales: armonia matematica, simplicidad los primeros atomistas griegos, p.ej. Leucippus creia en la continuidad y en la infinita divisibilidad de la materia, el concepto del atomo: sin partes, indivisible (460-370 a.C.) sin embargo la hipotesis atomica, no jugo un rol en el avance cientifico, hasta el quimico Dalton. Tito Lucrecio Caro, filosofo romano (95-52 ac ) escribio un libro: De Rerum Natura, donde ampliamente defiende la teoria de que la materia esta hecha de Atomos, este libro influyo mucho en los defensores de la teoria Atomica posteriores. p 19, cajori. formula la conservacion de la materia y la energia alrededor del siglo 8o. los mahometanos fueron los lideres intelectuales del mundo. elite humanista, seleucidas? adquirieron los tesoros cientificos de hindus y de griegos en la era moderna, los fisicos atomistas fueron: Newton, Boscovich, Euler, cuyas ideas estaban en oposicion a las de Rene Descartes y su teoria de los vortices continuos. el Suizo John Bernoulli, utilizo la hipotesis atomica para explicar la teoria de los gases: la llamada teoria cinetica de la materia, o teoria estadistica, que james Maxwell y Ludwig Boltzman llevaron a su culminacion. Despues de Dalton, los atomos eran considerados como solidos rigidos e impenetrables, pocos cientificos consideraban al atomo como siendo elastico, que tuviera movimiento relativo entre sus partes, esta hipotesis fue rechazada como muy complicada y ademas, en choques habria perdidas de nergia por colision, una manera de evitar las consecuencias de la elasticidad, era postular, como lo hizo Boscovich (1711-1787) que los atomos eran meros
centros de fuerzas atractivas y repulsivas actuando instantaneamente y que no habia choques entre atomos. Asi los consideraron en epoca posterior, Ampere, Faraday y Cauchy. Pero esta hipotesis de que el atomo era puntual, sin extension pero si tenia masa y era influenciado por varias fuerzas, era inimaginable y complicada. Otro intento para resolver esta dificultad fue la hipotesis de que la particula mas elemental o pequeña era un grupo de atomos llamado Molecula. Habia una confusion al respecto incluso entre los quimicos Avogadro, Regnault y Liebig hasta 1868 el quimico Henry Roscoe dio la definicion: “una molecula es un grupo de atomos que forman la porcion mas pequeña de una substancia quimica, simple o compuesta, que puede ser aislada...una molecula de agua H2O contiene 2 atomos de hidrogeno“. El fisico Clerk Maxwell ya uso esta definicion de elementalidad y distinguio los movimientos internos de las moleculas: rotacion y vibracion. La Fisica Nuclear vino a demostrar que los atomos no son elementales Lord Kelvin, en 1867, con su hipotesis del Atomo Vortice,imagino un atomo estructurado como un anillo vortical en un fluido, el cual estaba en movimiento rotacional permanente y era indestructible, esta teoria es incorrecta, pero se anticipo al concepto del electron como ondas de materia que giran alrededor del nucleo. A fines del siglo 19, entre los cientificos se polarizo una polemica respecto a los atomos: lo atomistas que recuperaban las ideas del filosofo griego Democrito respecto los atomos y el vacio como Ludwig Boltzman y los energeticistas como Wilhelm Ostwald, quien idolizo el Principio de conservacion de la Energia y consideraba a esta, como la realidad ultima. La polemica sobre la existencia de los atomos se resolvio experimentalmente hasta que se pudo “fotografiar“ a los atomos usando las nuevas tecnicas de los Rayos-X en 1920. y cuando se descubrio a la particula elemental de la electricidad: el Electron. EL DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRON COMO PARTICULA ELEMENTAL DE ELECTRICIDAD El establecimiento de la Teoria de la Electricidad y el Magnetismo vino a ser seguido por el descubrimiento del electron. John Joseph Thomson en 1897 descubre el Electron como particula elemental de la electricidad, y midio el cociente: (carga electrica / masa) su experimento consistio en descargas electricas dentro de tubos de vidrio al vacio. el haz de rayos era desviado por medio de campos electricos y chocaba en una pantalla este rayo era un chorro de electrones acelerados por campos electricos. Thomson noto que el electron debe ser un constituyente del atomo, y que este debe estar unido por fuerzas electricas. Pero, ? donde residian la masa y la carga electrica?. las respuestas a estas preguntas la dio Rutherford. En 1901, Henrik Anton Lorentz amplia la teoria electromagnetica de Maxwell-Hertz
para acomodar en esta al electron, el cual es una particula discreta. y tambien intento estudiar la estructura del electron, pero su intento resulto infructuoso, y aun hoy, este problema esta sin resolver en forma completa. se da por hecho que el electron es una particula puntual, sin dimensiones, pero experimentos futuros usando aceleradores mas energeticos, podrian implicar que tiene alguna estructura. en 1895 Roentgen descubrio la radiacion bautizada como rayos-X y cuya naturaleza era un enigma, luego identificada como radiacion electromagnetica de alta energia (tiene mayor energia que la luz visible que tambien es radiacion) en 1896 el frances Becquerel descubrio que los compuestos del elemento quimico Uranio, emitian radiaciones similares,en algunos aspectos, a las descubiertas por Roentgen. en 1896 Becquerel detecto la radiactividad de ciertos elementos quimicos en 1900, Maria y Pierre Curie, Rutherford, Crookes, Soddy trabajaban en este problema de las radiaciones, y mostraron que varios elementos quimicos son radiactivos, entre ellos el Uranio, y descubrieron otros como el Polonio, etc. en 1903 Rutherford y Soddy establecieron la hipotesis de la teoria de la transformacion segun la cual atomos de ciertos elementos, ejecutan transformaciones espontaneas con la subsequente emision de radiacionesñ y demostraron que las energias de estas, son mucho mas grandes que las energias caracteristicas de las reacciones quimicas. Esto demostro que los atomos ya no eran particulas elementales. Rutherford mostro que las radiaciones eran de 3 tipos, llamandolas, alfa,beta y gamma las particulas alfa, tenian carga electrica positiva, 2 veces la carga del electron y eran iones del elemento Helio (un ion es un atomo el cual ha perdido uno, o varios electrones) las particulas beta, eran electrones con alta velocidad, y los rayos gamma, eran rayos X de mucha mayor energia, y menor longitud de onda. Entonces, los Fisicos y los Quimicos se plantearon la pregunta: ? porque radian algunos atomos de los elementos quimicos ? la respuesta es que debe existir otra fuerza en la naturaleza, que ocasiona que los componentes del nucleo de un atomo, se mantengan unidos, esta fuerza debia de ser de atraccion entre los nucleones, tal que mantiene fuertemente amarrados a los nucleones. y este amarre debe ser tal que venza la repulsion electrica entre particulas, protones, que tienen la misma carga electrica positiva. LA REVOLUCION CUANTICA Los descubrimientos anteriores causaron una crisis conceptual en la Fisica del siglo XIX: la Fisica, llamada “Clasica“: Mecanica Newtoniana, Electromagnetismo, Fisica Estadistica, no explicaba los nuevos hechos experimentales de las radiaciones recien descubiertas, en 1900 Max Planck explico el fenomeno de la radiacion del cuerpo negro con su teoria del Quantum de Accion, en la cual la emision o absorcion de Radiacion por los atomos ocurre en cantidades discretas llamadas Cuantos “en latin:Quanta“ o Cuantos de energia. Planck postulo la ecuacion E = h f, donde E es la energia de , f es la frecuencia de la radiacion emitida y h era una nueva constante de la naturaleza, bautizada como la constante de Accion, de Planck, y su valor medido, es de 0.000000000000000000000000006,
en unidades cgs: centimetro, gramo, segundo. en 1905, Albert Einstein propone el concepto del Foton, como la particula elemental de que esta formada la luz y todo tipo de radiacion electromagnetica. lo que hizo Einstein, fue extender la hipotesis cuantica de Planck y aplicarla a la Radiacion entonces, cuando un cuerpo calentado emite radiacion, esta consiste de Fotones discretos, no de radiacion continua, el foton no tiene carga, ni masa mecanica y su vida media es estable, lo que quiere decir que no se desintegra en otras sub-particulas. LA FISICA NUCLEAR Esta nueva rama de la Fisica, sintetizo y puso bases teoricas a los descubrimientos de los Curie, Roentgen, Becquerel, y es la antecesora de la Fisica de Particulas. En su desarrollo, se descubrieron 3 tipos de radiaciones emitidas por los nucleos: RADIACION ALFA, que son un agregado de 2 protones y 2 neutrones RADIACION BETA, que esta formada por electrones RADIACION GAMMA, que es radiacion electromagnetica de muy alta energia, la mas alta que se conoce, el extremo superior del espectro de radiaciones electromagneticas, el cual consta de las bandas: ondas de radio, radiacion infrarroja, luz visible: del rojo hasta el color violeta, radiacion ultravioleta, rayos-X, rayos gamma. EL DESCUBRIMIENTO DEL NUCLEO ATOMICO en 1904 habian varios modelos teoricos: unos no tenian exito para predecir experimentos otros como el del japones Nagaoka, era un atomo estructurado como un sistema planetario en 1911,el Neozelandes Ernest Rutherford proporciono una solida base experimental para esta teoria, formulo la hipotesis de que toda la carga positiva y la masa estaban concentradas en un pequeño volumen en el centro del atomo, al que llamo nucleo. El nucleo estaba rodeado por Z electrones girando alrededor del mismo. La atraccion electrica entre el nucleo posotivo y los electrones, negativos, mantenia unido al atomo. Encontro una formula, para calcular la dispersion de las particulas disparadas contra los nucleos la llamada seccion eficaz de colision, que se mide en los aceleradores. al numero Z lo llamaron Numero Atomico y es caracteristico de la naturaleza quimica del blanco representa la carga electrica del nucleo medida en unidades iguales a la carga del electron, pero de signo opuesto, para el Hidrogeno Z = 1, para el Helio Z = 2, etc. Este descubrimiento arrojo nueva luz sobre la definicion de los elementos quimicos, a cada elemento se le asocia ahora, un numero entero Z. Cuando Mendeleiev desarrollo su tabla periodica de los elementos, en 1869, los ordeno segun
su peso atomico. Ahora el modelo nuclear revelaba que el numero atomico, y no el peso, es lo que cuenta. el numero atomico se mide empleando Rayos-X, metodo que desarrollaron W Barkla y H Moseley En 1914 Rutherford sintetizo sus investigaciones en un articulo titulado “la estructura del atomo“ y en 1919, tuvo exito en producir la desintegracion artificial de un atomo, un atomo de Nitrogeno se transforma en otro: el sueño de los Alquimistas medievales en forma moderna. a este descubrimiento se le considera el inicio de la Fisica Nuclear. ?Que fuerzas son responsables de los fenomenos nucleares? ?son de origen electrico? los experimentos con dispersion de particulas alfa por nucleos ligeros, indicaban que estaban involucradas fuerzas no-electricas en distancias menores que 0.000000000001 cm. pero faltaba informacion mas detallada, era importante identificar a las particulas fundamentales que eran los “ladrillos“ de los nucleos. hasta 1932 se conocian 2 particulas: el proton y el electron. se creia que existian electrones dentro de los nucleos pero esto era incompatible con la fisica cuantica. Este año, Chadwick decubrio el neutron, una particula sin carga electrica, y con una masa mayor que la del proton; su descubriento aclaro muchos detalles que no eran bien entendidos. A fines de 1932, Heisenberg propuso que los componentes nucleares son los protones y los neutrones: un nucleo tiene Z protones y un numero mayor de neutrones N, el numero de masa A = N + Z, que viene siendo el numero total de componentes del nucleo, o los nucleones. El proton tiene una masa 1836 veces mayor que la del electron. ? por que tienen estos valores numericos las masas ? es un problema que todavia hoy no se resuelve. Al resolver un enigma, se generan otros. En la teoria del decaimiento beta, no ajustaban los numeros, el balance de las energias. En 1930, Pauli habia propuesto la existencia del Neutrino para explicar el decaimiento beta. y hasta 1933, el italiano Enrico Fermi produjo una teoria formal de este decaimiento, como un ejercicio de aplicacion de los “operadores de creacion y aniquilacion“ de la fisica Cuantica. su teoria introdujo una 3a. fuerza: la fuerza nuclear-debil , y era una teoria “Lagrangiana“, (veremos adelante que significa “Lagrangiana“) La masa de un proton es tan pequeña como: 0.000000000000000000000001 gramos el estudio de la estructura de los nucleos centrales de todos los elementos quimicos, del hidrogeno helio, litio, hasta los mas pesados: plomo, oro, plata, uranio, plutonio etc experimentos llevados a cabo con particulas que bombardean a los nucleos, le permitio
a Rutherford calcular los radios de los nucleos, que son de: 0.0000000000001 centimetros; o sea, 10,000 veces mas pequeno que un atomo. hasta 1911, Robert Millikan midio exactamente la carga electrica del electron: simbolizada por la letra e, esto permitio calcular su masa, de la relacion e / m. la masa es de 0.00000000000000000000000000000091 kilogramos la carga electrica es de 0.00000000000000000016 Coulombs en xxxx Aston inventa el espectrografo de masas que les permitia medir las masas de los iones de atomos, entonces, conocer la carga e, permitio calcular las masas de los atomos. LA ESPECTROSCOPIA DE LOS ATOMOS Por Espectroscopia se entiende el estudio de los atomos cuando son excitados y emiten un “espectro“ de lineas luminosas de ciertos colores caracteristicos para cada atomo se estudian estas lineas por medios Opticos, se determinan sus longitudes de onda y sus frecuencias. #fue desarrollada por Angstrom y Rydberg en 18xx pero esto era un enigma, ¿ porque una serie discreta de lineas de colores y no una banda continua de colores, del rojo al violeta?. LA TEORIA CUANTICA ANTIGUA, DE NIELS BOHR en 1911, el fisico Danes Niels Bohr, por fin explico los espectros atomicos, Bohr postulo que los electrones del atomo giran en orbitas circulares. discretas alrededor de los nucleos y emiten radiacion solo cuando saltan de una orbita a otra. Este concepto revoluciono a la Fisica. pero solo explico el espectro del Hidrogeno y del Helio, y no los de los atomos mas pesados. En su teoria, el atomo mas pequeno, el Hidrogeno, mide 0.000000005 centimetrosñ o sea, en una longitud de 1 centimetro, se pueden poner, en hilera, 200 millones de atomos de Hidrogeno. esta pequeñez de los atomos explica el enorme numero de Avogadro: 600,000,000,000,000,000,000,000 de atomos en un centimetro cubico de materia. LA NUEVA TEORIA CUANTICA DE SCHRODINGER Y DE BROGLIE La teoria Cuantica de Bohr dejaba incognitas conceptuales que solo se resolvieron cuando el frances Luis de Broglie, postulo la existencia de ondas de materia: cada particula como el electron, tiene asociado un movimiento ondulatorio u onda, cuya longitud de onda es inversamente proporcional al impulso mecanico p = m.v, con constante de proporcionalidad la constante de Accion, de Planck. si la materia son ondas, segun Broglie, debe existir una ecuacion de ondas que describa la conducta fisica de tales ondas. en 1925, el austriaco Erwin Schrodinger encontro la ecuacion que lleva su apellido, y que explica los valores energeticos de las lineas espectrales de todos los atomos y de las moleculas. tal exito, hizo que los Fisicos declararan completa a la Fisica Atomica y que esta explicaba muchos conceptos de la ciencia Quimica: conceptos como: orbitales moleculares, energias de amarre, reacciones quimicas, etc. En la teoria de Schrodinger, un sistema tal como un atomo o molecula, esta descrito por la su Energia, llamada Hamiltoniano“ y una ecuacion diferencial cuya incognita es la “funcion de onda“ simbolizada por la letra griega “psi“. Calculando la psi, permite
determinar las energias, discretas o continuas, de atomos y moleculas. esta psi depende de todas las coordenadas del sistema y esta tambien caracterizada por un conjunto de “numeros cuanticos“ enteros o semi-enteros. Con el descubrimento del nucleo atomico y de la Mecanica Cuantica, ya estaba bien establecida una teoria de la estructura atomica para todos los tiempos. Podian ser respondidas preguntas como ? porque el cielo es azul? o ?porque el cobre es de color rojo? para la primera, es necesario analizar la dispersion de la radiacion luminosa por los atomos de la atmosfera; para la 2a.pregunta, el cobre emite radiacion electromagnetica cuya frecuencia esta en la parte roja del espectro visible. Y asi muchas otras preguntas. Y con el advenimiento de la Biologia Molecular y la Genetica, (el ADN) podia responderse a preguntas como ?como se multiplican las celulas? ?el mecanismo de la herencia? no es casual que uno de los descubridores de la molecula del ADN fue un fisico que cambio su campo de investigacion al de la Biologia. EL SPIN DE LAS PARTICULAS en 192x Uhlenbeck y Goudsmith, basados en datos experimentales, predicen la existencia del “spin“ (significa giro, en aleman) del electron, como si electron girara sobre un eje. experimentalmente se miden los spines de todas las particulas, La energia rotacional asociada con el spin, modifica las lineas espectroscopicas de los atomos: y explica el efecto Zeeman anomalo. el efecto zeeman consiste en poner un elemento en un campo magnetico y observar que sucede a las lineas del espectro optico, se observa que una linea ahora se divide en 2, 3 o mas lineas. EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE En 1925, Werner Heisenberg, descubre el llamado “principio de incertidumbre“ basandose en un experimento pensado, si se desea medir la posicion exacta de un electron, la medida de su impulso mecanico, o “momentum“, se hace mas imprecisa, y viceversa, si queremos medir su impulso con exactitud, su posicion se hace imprecisa. Todas estas ideas de la nueva Fisica Cuantica, revolucionaron los conceptos de la fisica anterior a 1900, conocida ahora como Fisica Clasica. LA FISICA CUANTICA RELATIVISTA Y LA ANTI-MATERIA Las 2 grandes teorias fisicas de este siglo permanecian separadas y habia la necesidad teorica de establecer una relacion entre ellas, esto es: la teoria cuantica es no-relativista, o sea, describe fenomenos fisicos que suceden a bajas velocidades comparadas con la de la luz. Y era necesario generalizarla para incluir efectos de muy altas velocidades. Esto lo hizo en 1928, Paul Dirac quien descubrio la ecuacion relativista que describe la conducta relativista (a altas velocidades) del electron, y que predice la existencia de particulas con carga opuesta y energias negativas: las antiparticulas o la
llamada antimateria, predecia tambien el spin del electron, y los fenomenos de la electrodinamica cuantica: rayos gamma con las energias adecuadas podrian materializarse en parejas electron-antielectron, este bautizado como “positron, abreviado de positive-electron“ En 1932, Carl Anderson, encuentra evidencia fotografica de la existencia del positron en fotografias que registran choques de los rayos cosmicos con la materia, un rayo gamma que viene del espacio exterior choca con una placa metalica y en el otro extremo se ven huellas de 2 particulas que siguen trayectorias circulares opuestas, son el electron y su anti-particula. En 1955, Emilio Segre descubrio el anti-proton, la antiparticula del proton. En 1970, en Rusia, lograron sintetizar un atomo de anti-materia: el anti-helio 3 formado por 2 anti-protones y 1 anti-neutron. Tambien han creado el anti-hidrogeno: un anti-proton rodeado por un positron. En 1980 lograron almacenar haces de electrones y de positrones, con unas intensidades de corriente electrica (y anti-electrica) de 2 y de 1.5 miliamperes, respectivamente. Y con unas energias de 8 Gigaelectron-Volts. En la actualidad, se han descubierto 300 particulas en los aceleradores, y se pueden descubrir mas, cuando se construyan aceleradores con mayor energia. Entonces, hay mas particulas que elementos quimicos, y entender sus propiedades, es tarea muy dificil. Entender las propiedades de los atomos, es mas facil, la diferencia entre los mismos es el numero de electrones que giran alrededor del nucleo, la ecuacion que los describe se puede resolver con ciertos metodos matematicos, en el caso de los nucleos, mucho mas pequeños, estos se diferencian por la masa y la carga electrica, hay tantos protones como electrones y habra tantos neutrones como se necesitan para dar la masa total del nucleo. Pero al estudiar el proton y el neutron se encuentra con una situacion mas compleja, al estudiar lo mas pequeño, la Fisica se complica mucho. Es como si se abriera una “caja de Pandora“ de la que surgen muchas cosas. El hecho que el proton tiene una estructura, demostrada experimentalmente, ya no es “elemental“, Richard Feynman habla entonces de una Fisica Fundamental, cuyo objeto es determinar los procesos fundamentales, a escala cada vez mas pequeña, de la Naturaleza. Y aun se pueden conocer las reglas de un proceso, por ejemplo, la ecuacion de Schrodinger o la de Dirac, y no entender ciertos fenomenos al detalle, como la friccion a nivel atomico con una analogia: se pueden conocer las reglas del Ajedrez y no saber jugar bien tal juego. Una parte de la Fisica Fundamental que es bien conocida es la Electrodinamica Cuantica, otra parte mas o menos conocida es la Fisica de la interaccion nuclear-debil. EL NEUTRINO esta particula es muy elusiva, interactua poquisimo con la demas materia.
es neutral y de masa de reposo igual a cero. es producida cuando un neutron se desintegra en un proton mas un electron mas un neutrino. y esta “transmutacion“ de neutron en proton, tiene lugar por medio de la interaccion “debil“ o nuclear debil. se llamo debil por ser menos intensa que la nuclear fuerte, y estos electrones emitidos son precisamente, la radiacion beta de Rutherford. y el nombre tecnico de la transmutacion es “el decaimiento beta“ Pauli propuso la existencia del neutrino porque al hacer el balance energetico de la reaccion nuclear anterior, no ajustaban los numeros si solo hubieran protones, neutrones y electrones, la energia portada por los neutrinos, ajustaba todo muy bien. el Neutrino, dificil de detectar, fue encontrado en los experimentos, hasta 19.. por Reines y Cowan. con esta particula se creia que se habia alcanzado el final de la busqueda de los ultimos componentes de la materia, pero el desarrollo de los grandes aceleradores y en los experimentos con los Rayos Cosmicos puso un fin a esta esperanza; se descubrieron mas particulas. Los Muones y las particulas bautizadas como “ëxtrañas“. No entraremos en los detalles del desarrollo de la fisica nuclear, que condujo al desarollo de la tecnologia nuclear: reactores para producir electricidad, rompehielos y submarinos nucleares, etc y que se llevaria otro articulo, sino que resumiremos los conceptos de la fisica de las particulas elementales que viene siendo una Fisica sub-nuclear, o sea: se indaga en lo mas profundo de la estructura de la materia, y experimentalmente requiere de aceleradores con muy altas energias. EL NEUTRON en 1932 James Chadwick probo que en la desintegracion del Berilio por particulas alfa una particula de un nuevo tipo fue emitida y tenia una masa cercana a la masa del proton pero no tenia carga. Fue nombrada como Neutron, por ser de carga neutra. esta particula probo ser importantisima en la estructura Nuclear. Antes de ser descubierta se creia que los nucleos estaban formados por protones y electrones pero esto no ajustaba con los datos experimentales de la tabla periodica de mendeleiev. el neutron si lo hacia: el numero de protones es igual al numero atomico, y el num.de protones y neutrones, combinados, es igual al peso atomico o ? “numero de masa“ LAS 4 FUERZAS QUE EXISTEN EN LA NATURALEZA Existen en el Universo 4 fuerzas fundamentales, GRAVITATORIA, responsable de la atraccion de los planetas hacia el Sol, de la Luna hacia la Tierra, de la atraccion entre las estrellas para formar galaxias,y de todo objeto masivo que es atraido hacia la superficie de la Tierra y nos mantiene atados a Ella. Es la mas debil de todas, extremadamente debil en los atomos, pero su rango de alcance es infinito. Actua sobre todo lo que tenga masa, si no existiera esta fuerza, no existiria nuestro universo ELECTRO-MAGNETICA, responsable de la atraccion de los electrones hacia
los nucleos atomicos, y de las fuerzas entre atomos y moleculas. y de la electricidad que origina la iluminacion en las casas y los flashes de los rayos; origina el magnetismo. es de alcance infinito, si no existiera, no habrian atomos y moleculas, ni materia macroscopica. NUCLEAR FUERTE, o interaccion fuerte, es responsable del amarre de los protones y neutrones en los nucleos. su rango de alcance es de 0.0000000000001 centimetros actua tambien sobre los Quarks. Tiene un rol en la combustion dentro de las estrellas. es 100 veces mas fuerte que la fuerza electrica. NUCLEAR DEBIL, o interaccion debil. causa la desintegracion beta de los neutrones, en proton, electron y un neutrino. su rol cosmico: altera a las particulas basicas, “alquimista cosmico“ su rango de alcance es de 100 veces menor que la fuerza nuclear. actuas sobre todas las particulas elementales o basicas (quarks y electrones) Esta fuerza juega un papel importante en la creacion de los elementos quimicos El proceso que hizo que se formaran los elementos se hubiera detenido sin la fuerza debil. Similarmente, los ciclos del Carbono y del Hidrogeno, responsables de una gran fraccion de la produccion de energia en el Sol y en las estrellas, no hubiera procedido sin la desintegracion beta (o decaimiento beta). El parametro asociado con la intensidad de cada fuerza se llama Constante de Acoplamiento. en el caso gravitacional, esta constante es la constante de Newton G, cuyo valor numerico es de 0.000000000067 en unidades MKS. en el caso electromagnetico, la constante es la de estructura fina a = 1/137 xxx 0.00729 en el caso nuclear fuerte, su valor es de 1 a 10 dependiendo del tipo de mesones propagadores en el caso nuclear debil, su valor es 1000 veces mas pequeño que el electrico. LAS PARTICULAS PROPAGADORAS DE ESTAS FUERZAS El Foton es considerado a ser el propagador la fuerza electrica y magnetica o sea: una carga electrica emite fotones, otra particula con carga absorbe esos fotones y experimenta una fuerza, como cuando un Tenista recibe la pelota en su raqueta de tenis y siente una fuerza. el Graviton, lo es para la fuerza gravitacional el Meson Pi, lo es para la interaccion, o fuerza, Nuclear fuerte. el meson W, lo es para la fuerza nuclear debil. LAS ECUACIONES QUE RIGEN A CADA INTERACCION Los fotones, o en lenguaje tecnico, el campo electromagnetico, esta regido por las ecuaciones de Maxwell, estas predicen el comportamiento de las particulas con carga electrica, cuando hay presentes campos electricos y magneticos. y ademas predicen la existencia de ondas electromagneticas viajando en el vacio o en medios, como cristales y metales. los Mesones, satisfacen la ecuacion de Klein-Gordon los gravitones satisfacen las ecuaciones de Einstein del campo gravitacional. Estas ecuaciones se emplean para calcular las llamadas secciones eficaces de las colisiones, las cuales son medidas en los experimentos en los Aceleradores
El PRINCIPIO VARIACIONAL O DE MINIMA ACCION Toda ecuacion que describe las interacciones entre las particulas, se deduce del Principio Variacional de Euler y Lagrange, que afirma que, en un sistema mecanico, la trayectoria de las particulas, es tal que, una funcion de las coordenadas y de los impulsos, llamada la Accion, es un minimo. En la Fisica de Particulas, este Principio ha llegado a ser un Paradigma o regla a seguir. Este principio surgio en la Optica, (rama de la Fisica que estudia a la luz) en el problema de la trayectoria del minimo tiempo que recorre un rayo de luz. Y en la Mecanica, la Braquistrocrona, o trayectoria de tiempo minimo. DIAGRAMAS DE FEYNMAN Richard Feynman, propuso un metodo grafico para representar geometricamente, en espacio-tiempo de 4 dimensiones, en donde una particula que se mueve, esta representada por una linea recta, se desacelera y emite un foton, o un meson, segun sea el caso, el foton esta representado por una linea sinuosa que sale del electron, y asi cuando mas complicada la interaccion mas complicado su diagrama “de Feynman“. estos diagramas son base para hacer calculos de parametros fisicos que se miden en los experimentos, como las secciones de colision, etc. entonces, un proceso fundamental, es cuando un electron emite un foton, se des- acelera y cambia su impulso, o momentum. Un ejemplo de la vida diaria: en los aparatos de los Rayos-X, los electrones al chocar contra una pantalla de metal, son desacelerados y emiten rayos-X, estos rayos son fotones de muy alta energia, penetran a la materia dura y dejan su huella en una pantalla fotografica: una imagen de rayos X de los huesos de una persona. CUATRO NIVELES EN LA ESTRUCTURA DEL MUNDO ATOMICO La exploracion del mundo microscopico, a distancias mas pequeñas que el mundo de las celulas biologicas, conforme fue avanzando la tecnologia, ha revelado 4 capas: el molecular, el atomico, el nuclear y el de las particulas elementales con distancias decrecientes del orden de: 0.000001 metros, es una micra, la milesima parte de un milimetro una bacteria comun, mide una micra de ancho y dos de largo. 0.0000000001 metros, el nivel atomico 0.000000000000001 metros, el nuclear 0.000000000000000.1 y distancias menores, el nivel de las particulas 0.0000000000000000000000000000000.1, el nivel de la “distancia de Planck“ este nivel es increiblemente pequeño y es predicho por la teoria, y esta fuera del alcance de los actuales aceleradores. A cada nivel le corresponde una “espectroscopia“: entendiendo por estas, el estudio de los niveles de energia que son accesibles a las particulas que forman tales estructuras o sea: un atomo, por ejemplo, esta regido por la ecuacion cuanticade Schroedinger, y al resolver esta se encuentran los niveles de energia accesibles a los electrones Lo mismo para una molecula o un nucleo, cada estructura esta regida por su ecuacion cuantica. EL MESON, PROPAGADOR DE LA FUERZA NUCLEAR En 1935, el japones Hideki Yukawa produjo una teoria que hizo avanzar mucho a la fisica nuclear: la fuerza nuclear, es mediada por una particula propagadora de tal fuerza. y de masa intermedia entre la del proton y del electron.
Sugirio que los nucleones interactuan por medio de fuerzas nucleares a traves del intercambio de Mesones. La fuerza es de muy corto alcance: 0.0000000000001 cm el meson fue descubierto en 1947, en la radiacion cosmica que llega a nuestro planeta, se le bautizo como el meson pi, y tiene una masa de 273 veces mayor que la masa del electron, se le bautizo asi, por la palabra griega mesos, que quiere decir: intermedio, por brevedad, se conoce como pion. posteriormente fueron descubiertos otros tipos de mesones, en las reacciones nucleares que se producen en los grandes aceleradores. se encontraron piones con cargas electricas positiva, negativa y neutrales. Fue costumbre bautizar a toda nueva particula con las letras del alfabeto griego. Fueron encontradas nuevas particulas, como el meson ro, el omega, etc., que complicaron el esquema simple de proton, neutron, electron, foton. Los rayos cosmicos con alta energia que llegan a la Tierra, chocan con los atomos de la alta atmosfera y producen asi reacciones nucleares y sub-nucleares. en la actualidad, se conocen 17 tipos de Mesones A diferencia de la quimica, donde existen 92 elementos, ahora se conocen mas de 200 particulas elementales y multitud de reacciones ocurriendo entre las mismas. [EQUATION] LEPTONES: son particulas que no interactuan por fuerzas nucleares FOTON, es una clase en si misma, y interactua solo electromagneticamente con particulas que tienen carga electrica; es estable y no tiene masa de reposo. Tiene spin = 1. HADRONES: interactuan por medio de las fuerzas nucleares y electricas y son de 2 tipos: MESONES, que son bosones, tienen spin entero, 0, 1, 2, etc BARIONES, que son fermiones, tienen spin semientero, p.ej. 1/2, 3/2, etc Entre tantas particulas descubiertas se las clasifico en Hadrones y Leptones, (del griego hadros=pesado, leptos = ligero). Los Hadrones interactuan via fuerzas nucleares y electromagneticas; y los leptones solo interactuan via la fuerza electromagnetica y la fuerza nuclear-debil. Los Hadrones son de 2 tipos: Bariones y mesones: los Bariones son particulas que pueden cambiar o transmutarse en protones, o estar hechas de protones. ejemplo: proton, neutron, y las particulas mas masivas: L , S, W, X, llamadas “hyperones“ ; tienen spin 1/2 o 3/2 los mesones son particulas de masas intermedias entre la del proton y la del electron, ejemplos: meson pi, meson K, (o kaon), el meson eta. Todas son inestables y decaen via la interaccion debil o la electromagnetica. Tienen spin que vale cero o un numero entero. Tambien interactuan por medio de la fuerza nuclear. Son Leptones: el electron, el muon, los 2 neutrinos, asociados con el electron y el muon y el lepton pesado, t (tau), todas tienen spin 1/2 Esta clasificacion es anterior a la originada por la teoria de los quarks, en esta, las particulas elementales son: Quarks, Leptones, Fotones, y los bosones mediadores de las fuerzas, los protones y neutrones y los mesones estan hechos con quarks. veremos mas adelante como surgio la teoria de los quarks. LA ELECTRODINAMICA CUANTICA Esta teoria descirbe la interaccion de las particulas cargadas y el campo
electromagnetico. A la Electrodinamica Clasica, desarrollada en el siglo XIX, se le tuvo que refinar para incluir los efectos nuevos, predichos por la Fisica Cuantica Ondulatoria: la existencia de Anti-materia, fotones propagadores de la fuerza electromagnetica, (la anti-materia es materia en estados con energias negativas, como si fuera imagen de espejo de la materia ordinaria.), fotones “virtuales“. Se le llamo Electrodinamica Cuantica, Q E D. por sus siglas en ingles, Quantum ElectroDynamics. Esta rama de la Fisica, la comenzaron a investigar: Heisenberg, Dirac, Victor Weisskopf Wollgang Pauli, y la perfeccionaron Richard Feynman, Sin-Itiro Tomonaga, Freeman Dyson y Schwinger. Feynman, quien tenia una imaginacion visual poderosa, desarrollo un metodo elegante para representar a las complicadas ecuaciones cuanticas por diagramas simples que le permitian a su intuicion fisica, guiar sus calculos matematicos hacia soluciones muy exactas, rapidamente. Los efectos fisicos mas inesperados predichos por la teoria fueron: la Polarizacion del Vacio, la aniquilacion de pares electron-positron, la creacion de pares a partir de fotones energeticos de rayos gamma, el “Mar de Dirac“, que es un “mar“ de electrones de energia negativa. Esto es consecuencia de la ecuacion de Dirac y las ecuaciones de la Q E D. Feynman aplico su tecnica para estudiar uno de los problemas principales de la Fisica Teorica: la Mecanica Cuantica de la Luz. Los Fotones ya se habian investigado por mas de 50 años, pero faltaba una descripcion detallada de como son emitidos y absorbidos por los electrones al interactuar 2 electrones, por fuerzas electricas, un electron emite un foton y el otro electron absorbe al foton, este es el origen de la fuerza electrica, el intercambio de fotones. La Q E D probo a ser de una precision extraordinaria sin precedente, y establecio un estandard de excelencia con el cual todas las teorias fundamentales de la particulas elementales tienen que ser comparadas. Ademas esta teoria esta “Normada“ : esto quiere decir que es Invariante bajo cierto grupo de transformaciones: los que cambian los Potenciales. Como toda teoria, tiene sus exitos y sus limitaciones, la Q E D no explica a los nucleos atomicos tecnicamente, porque la constante de acoplamiento de la Fuerza Nuclear es mayor que 1. en el caso electromagnetico, esta constante es menor que uno, lo que hace que la serie matematica, converja a un numero finito. La naturaleza se comporta diferente en el mundo microscopico “Cuantico“ que como se comporta en nuestro mundo macroscopico, “Clasico“, debido al principio de Incertidumbre, a la naturaleza ondulatoria de la materia, y las Fluctuaciones Cuanticas.
PINCIPIOS DE INVARIANCIA Y LEYES DE CONSERVACION Estos dos principios estan muy relacionados: cuando una ley fisica es invariante bajo cierta simetria, existe una ley de conservacion correspondiente. La ley de conservacion de la Energia, p. ej., se sigue de una invariancia bajo una traslacion del tiempo. La conservacion del impulso lineal p = m v, se sigue de la invariancia bajo traslaciones espaciales, etc. Ahora bien, estas simetrias no son validas en todos los casos algunas leyes de conservacion dependen de la naturaleza de las fuerzas actuantes, p. ej.: la fuerza debil no conserva la Paridad, este hecho sorprendio a los cientificos, y le valio el Premio Nobel a sus descubridores. La conservacion de la paridad quiere decir que si se invierten las coordenadas fisicas: x, y, z en las ecuaciones, estas no cambian, lo cual es cierto para la fuerza electrica y magnetica. Otra ley de invariancia importante es la relacionada con la teoria de la relatividad Einsteniana: afirma que las leyes fisicas son las mismas no importa el estado de movimiento del observador p. ej. un observador en la superficie de la Tierra, y otro observador viajando el el trasbordador espacial Challenger, ambos miden y observan las mismas leyes. Galileo establecio este principio de “relatividad“, cuando escribio en uno de sus libros, que unos marineros, en un barco en movimiento con velocidad constante, al jugar un juego de pelota, las leyes mecanicas son las mismas que si estuvieran en reposo, en tierra firme. Este principio se llamo Relatividad Galileana. En la fisica de nuestro siglo XX, despues de Einstein a esto se llama Invariancia de Lorentz, porque si se aplican las ecuaciones de transformacion de coordenadas de Lorentz a las ecuaciones que describen las leyes fisicas, estas no cambian. Einstein, en su Teoria Especial de la Relatividad, derivo las ecuaciones que ya habia escrito el holandes Anton Lorentz, pero en el marco mas general de su teoria que revoluciono a la Fisica. La Teoria de Einstein, juega un papel primordial en la Fisica de Particulas Elementales: las ecuaciones de campo cuantico: la ecuacion de Dirac, de Klein-Gordon, de Weyl, de Proca, todas, deben ser invariantes bajo las transformaciones de Lorentz, asi como son invariantes las cantidades escalares, como las masas de reposo, las secciones de dispersion, etc. Para explicar que nunca se observa la reaccion donde un proton choca con un electron y se transforman en pura radiacion, se formulo una ley: la Ley de Conservacion del numero Barionico: “En una reaccion, el numero barionico de la particulas iniciales es igual al de las particulas finales“. el proton es barion, pero el electron no lo es. Hay varias leyes de conservacion, en la Mecanica Clasica, se conocian las leyes de conservacion de la Energia, del Impulso Angular, del Impulso Lineal.
Ahora se definen las leyes de la Conservacion de la carga electrica, del numero Leptonico, de la Hipercarga, de la Extrañeza, erc. En las reacciones entre particulas, por ejemplo, al incidir un haz de electrones sobre un blanco de protones, se observa quese conservan ciertos numeros enteros “cuanticos“, que son ahora los numeros: barionico B, leptonico L, isospin T, impulso angular total J, extrañeza S, hypercarga Y, paridad P, carga electrica Q. En 1957 Robert Hofstadter descubrio que el proton no es puntual sino que tiene una estructura hizo experimentos bombardeando electrones hacia nucleos como blanco. Condujeron a tener un conocimiento detallado de la distribucion de la carga electrica y de los momentos-magneticos de los protones, neutrones y los nucleos. Su descubrimiento le valio ganar el Premio Nobel en 1961. LAS RESONANCIAS Fermi descubrio en 1954 lo que llego a conocerse como una Resonancia pion-nucleon Ahora hay mas de 2 docenas de estos estados observados que son considerados a ser estados excitados de los nucleones, algunas tienen spines de 11 / 2. La escala de los diagramas de niveles de energia es 100 veces mayor que el de un sistema nuclear. los decaimientos de los nucleones excitados es debida a la interaccion fuerte, mas que por la electromagnetica, y es seguida por la emision de mesones en lugar de fotones. “aside“ de esto el patron es familiar; los nucleones, como los nucleos y los atomos, deben ser compuestas: tener estructura. Los sistemas ligados no pueden ser puntuales. El diametro del proton fue determinado al hacer medidas cuidadosas de dispersionn elastica electron-proton, las cuales fueron interpretadas en terminos de una distribucion espacial de la carga electrica de un proton. Esta carga parece estar concentrada en particulas puntuales dentro del proton, estas fueron bautizadas como Partones (del ingles part, parte de) Los quarks fueron postulados varios años antes de que los partones fueron “observados“ LAS PARTICULAS EXTRAÑAS LA TEORIA DE LOS QUARKS En 1964 el fisico Murray Gell-man, propuso la teoria de los Quarks, estos son los componentes de los protones, neutrones, piones, Esta teoria puso un orden donde antes, habia un desorden, semejantemente al descubrimiento de la tabla periodica de los elementos quimicos, por el quimico Mendeleiev. Asi como en la Fisica Atomica, los niveles de las energias accesibles estan clasificados por medio de una tecnica matematica llamada la Teoria de los Grupos de Invariancia. los teoricos de la fisica de particulas buscaron las simetrias de las particulas elementales como los nucleones, proton neutron, los mesones, las particulas extrañas, hasta que
Gell-man y Zweig (independientemente el uno del otro) dieron con la solucion. La teoria de Gell-mann esta basada en la simetria SU(3), que dice que las interacciones nucleares son invariantes bajo un grupo de Simetrias, el SU(3), que es un grupo de transformaciones Unitarias, en un espacio, interno, de 3 dimensiones El aleman Werner Heisenberg ya habia descubierto la Simetria SU(2) en la interaccion nuclear, esto quiere decir que si se intercambian protones por neutrones en los nucleos y viceversa, la situacion fisica no cambia, hay una Invariancia. Gell-Mann y otros Fisicos Teoricos extendieron las ideas de Heisenberg a simetrias mas amplias, la de Gell-Mann y Zweig tuvo exito. En esta, los Bariones y Mesones estan constituidos por sub-unidades mas pequeñas, bautizadas como: Quarks. (palabra del idioma Aleman que significa coagulo). dos Quarks eran los necesarios para describir a los nucleones, pero se necesito un tercer quark, bautizado como “extraño“ para describir a las nuevas particulas “extrañas“. se los bautizo como quarks u, d y s (up, down, strange: el de arriba, abajo, y el extraño) ahora, ¿ que fuerza amarra a los quarks dentro de un nucleon?, a esta se le bautizo como: “fuerza de color“ y es mediada por los “gluones“: bosones intermediarios de esta fuerza. Entonces la fuerza nuclear-fuerte debe ser una consecuencia secundaria de aquella. analogamente a como la fuerza quimica entre atomos neutrales es una consecuencia secundaria de la fuerza electrica que amarra al atomo. La teoria que da base a las interaciones entre los quarks es llamada Cromodinamica Cuantica. siglas en ingles Q C D (ver adelante este tema) Eran 3 los quarks necesarios al inicio, pero posteriormente se postularon hasta un quinto, y un sexto quark para ajustar la teoria con los datos experimentales. Esta explica varios datos y es muy complicada matematicamente, emplea a la Teoria de los Grupos, aplicada ya en la Fisica Atomica y en la Nuclear, con mucho exito, por el fisico hungaro Eugen Wigner. Los quarks se simbolizan con las letras: u, d, c, s, t y b (del ingles up, down, charmed, strange, top, bottom;) Los bosones mediadores son: W+, W–, Z; de la interaccion nuclear-debil el foton gamma, de la fuerza electrica; y 8 gluones de las interacciones nucleares-fuertes los quarks mas pesados: c, b, y t han sido descubiertos en 1985. En 1974 fue descubierto el meson J (con masa igual a 3096 MeV) y con esto se tuvo evidencia del quark c. Este meson esta constituido por una pareja quark-antiquark. Tecnicamente, se descubrio un numero cuantico nuevo: el charm (encanto), que se agrego a llos numeros cuanticos de: color, flavour (sabor), extrañeza. La cuestion es esta: si usted tiene al proton y al neutron y los clasifica con una pareja (p,n) donde p y n son las funciones de onda ciuanticas de esas particulas, la etiqueta que sirve para esta clasificacion es un numero cuantico, en este caso es el “spin isotopico“ asi para clasificar a los quarks es necesrio definir esos numeros cuanticos: color, encanto,etc
Los leptones y los quarks son clasificados en 3 familias o “generaciones“: # y el numero del “color“ tiene 3 valores: “rojo“, “azul“ y “verde“ con una analogia: si un padre tiene 2 hijos, Hector y Melisa, el numero seria “sexo“ y los valores del mismo serian: “masculino“ y “femenino“, o: +, y: – Predijo la existencia de la particula Omega, el valor correcto del momento magnetico de la particula /[EQUATION]. y varias propiedades mas. BOSONES Y FERMIONES Otra clasificacion de las particulas relacionada con la simetria de la funcion de onda, es la siguiente: si una particula tiene spin igual a un numero entero, se conoce como BOSON si tiene spin igual a un numero semi-entero, como 1/2, se dice que es FERMION en honor del Fisico Hindu S.N. Bose, y del italiano Enrico Fermi. El fisico suizo Wolfgang Pauli establecio el principio que dice que si una particula es fermion, su funcion de onda es antisimetrica, esto es: cambia de signo algebraico si hay un intercambio de 2 o mas particulas y si es Boson, tal funcion es simetrica, no cambia el signo. por ejemplo: el nucleo del Nitrogeno, se observo que se comporta como un boson y satisface la estadistica simetrica, asi el nucleo dbe tener un numero par de componentes fermionicos: protones y neutrones. El nucleo del Helio tambien es un ejemplo de boson. Esto se conoce como el “Principio de Spin-Estadistica“. Pauli lo demostro usando la Teoria del Campo Cuantico Relativista. Esta rama de la Fisica Cuantica usa un formalismo Matematico que es util para calcular cantidades fisicas que luego se comparan con el experimento. LAS SIMETRIAS Y LAS LEYES DE INVARIANCIA ¿Que es una Simetria?: en Geometria, si tenemos el dibujo de un cuadrado, podemos girar el papel 90 grados, 180 grados, 270 y 360 grados, y la imagen es la misma: el cuadrado tiene una simetria geometrica. Y asi varias otras figuras: circulos poligonos. Un circulo tiene una simetria maxima, si le lo gira por cualquier angulo, el circulo no cambia. En Mecanica, si tenemos una ecuacion que describe la Dinamica de un Sistema, y si podemos hacer una transformacion de coordenadas, y la ecuacion no cambia, tenemos una Simetria mas abstracta que las geometricas, y que implica una ley de Conservacion de una cantidad, por ejemplo, la energia, el impulso angular, etc. Las consideraciones basadas en las Simetrias juegan un papel muy importante en varias ramas de la Fisica, se emplean para simplificar conceptos, aclarar discusiones y para dar elegancia a las demostraciones formales. En 19xx Eugen Wigner sistematizo el uso de la Teoria Matematica de los Grupos para simplificar ciertos calculos en la Fisica Atomica y en la Nuclear, con esta teoria, no es necesario resolver la ecuacion de Schrodinger para obtener los niveles de energia de los atomos, sino que se toma un camino corto: analizando la simetria matematica del Hamiltoniano, o energia del sistema, y aplicando las tecnicas avanzadas de la teoria de los Grupos, se calculan los niveles de energia de un sistema. Analisis basados en Simetrias condujeron a Heisenberg a establecer la simetria SU(2) de las fuerzas nucleares, luego de ser descubierto el neutron era claro que habia una simetria entre el proton y el neutron, tambien como en parejas de nucleos “espejo“ p.ej.
el Carbono 14 y el Oxigeno 14, pero esta no era una simetria geometrica de espejo: como si el neutron fuera la imagen especular del neutron, era simetria de rotaciones en un espacio matematico abstracto de 2 dimensiones, que cambia protones en neutrones y viceversa. La fuerza nuclear no cambia bajo estas operaciones de rotacion. Se dice en esta teoria que el proton tiene un “spin isotopico“ de 1/2 y el neutron de - 1/2 . Y esta idea condujo a predecir la existencia de un Pion sin carga electrica como un miembro necesario de la familia de los 2 conocidos piones con carga positiva y negativa. Posteriormente con el descubrimiento de las particulas “extrañas“, condujo a la simetria mas alta, en lenguaje tecnico, SU(3); y establecia una via logica para postular la existencia de 3 Quarks, como constituyentes elementales del proton, neutron y de los piones. Murray Gell-Man establecio esta extension a la simetria mas alta, SU(3), Hay que notar que unas simetrias son aproximadas y otras son exactas, p.ej. la simetria SU(2) es rota por la fuerza electrica, porque no hay tal fuerza entre dos neutrones y si entre dos protones. RUPTURA DE UNA SIMETRIA En las teorias normadas se comienza con una simetria mayor, luego se sucede un proceso llamado “ruptura espontanea de la simetria“ que conduce a que la teoria tenga una simetria menor. En este proceso son generadas las masas de las particulas. Dando una analogia geometrica de este mecanismo teorico que sucede en las teorias: suponga que tiene un cuadrado, con simetria de 4 rotaciones de 45 grados, trace las 2 diagonales del cuadrado: se forman 4 triangulos iguales, si separa a estos, el cuadrado se destruyo, y la simetria original fue “rota“ a una simetria menor: cada triangulo tiene una simetria de 3 rotaciones de 120 grados. Se comenzo con una simetria de 4 elementos y se termino con una simetria menor de 3 elementos. LA CROMODINAMICA CUANTICA En esta teoria las particulas nucleares elementales ya no son el proton y el neutron sino los quarks, y las particulas propagadoras de la interaccion entre los mismos, son los “Gluones“ (del ingles Glue, pegamento). A la fuerza de interaccion se le bautizo como: “fuerza de color“, por una analogia con la Optica, si en esta son 3 los colores basicos, (chromo en griego es color) se dice que los quarks tienen un numero cuantico bautizado como “color“ (sin dar confusion de que los quarks tengan un color visible.) asi se habla de las “fuerzas de color“ que son los gluones que intercambian los quarks. El rol de esta fuerza es amarrar a los quarks en los protones y en los neutrones, y la fuerza nuclear-fuerte viene siendo un sub-producto. Esta teoria esta normada o calibrada y su simetria no esta rota, esta basada en el grupo de simetria local SU(3) LAS TEORIAS NORMADAS Como ejemplo de una teoria normada es la electrodinamica, la cual describe la conducta de los vectores de campo electrico y magnetico: E y B si efectuamos una tranformacion “de norma“ sobre el vector potencial A los campos E y B no cambian, por lo tanto la situacion fisica es la misma. Es como en la Mecanica de la fuerza gravitatoria, se puede definir a la superficie de la Tierra
como la superficie de Potencial gravitacional, igual a cero. se ha normado la funcion potencial para que esto asi sea, y como la fuerza gravitatoria es la derivada matematica de la funcion potencial, esta fuerza es la misma. LAS TEORIAS UNIFICADAS DE LAS FUERZAS DE LA NATURALEZA La Fisica siempre registra un gran avance cuando se unifican dos teorias que antes parecian estar separadas y diferentes. La historia de la Fisica registra al arabe Al-Biruni, quien vivio en Afghanistan alrededor del año 1000 de nuestra era. Fue el primero en hablar de la universalidad de las leyes de la Fisica, esto es: las leyes son las mismas en todo nuestro planeta y en todo el Universo. Este tema fue puesto sobre una base experimental por Galileo Galilei, 600 años despues, y con la ayuda de su telescopio. El siguiente fue Isaac Newton, quien unifico la gravedad celeste con la gravedad terrestre: la fuerza que amarra a los planetas con el Sol, tiene la misma forma que la fuerza que origina la caida de masas en la Tierra. esto fue alrededor del año 1670, 150 años despues, michael Faraday y Andres Ampere unificaron la Electricidad con el Magnetismo. James Clerk Maxwell desarrollo la teoria matematica del Electromagnetismo: 4 ecuaciones celebres que llevan su apellido. Y predijo la existencia de las Ondas Electromagneticas, producidas por cargas electricas aceleradas. Y esto le permitio identificar a la Luz como Radiacion electro-magnetica como ya lo habia intuido Karl Gauss y Bernard Riemann. Unifica la luz, los rayos-X, la radiacion infrarroja y la ultravioleta, en un solo y amplio espectro. Otro paso importante fue la unificacion del Espacio y el Tiempo, por Albert Einstein y Herman Minkowski, en la Teoria Especial de la Relatividad. Einstein mismo, en 1927, comenzo a trabajar en su idea de unificar su Teoria de Gravitacion con la Teoria Electromagnetica, no tuvo exito, pero sembro una semilla que otros cosecharon. La idea la tomaron, pero en otro contexto, los fisicos de particulas: no tomar en cuenta a la Gravitacion pero si unificar la fuerza electromagnetica y la fuerza nuclear debil, en un modelo desarrollado en 1967, por Abdus salam, steven Weinberg y sheldon Glashow. La historia de este modelo se inicia con la Teoria de Fermi de la Interaccion Debil, y la idea de “normar“ a la teoria: la fuerza debil debe ser mediada por un Boson, esto es: el neutron decae en un proton y un boson intermedio, este a su vez decae en un electron y en un neutrino. En toda teoria normada la interaccion entre 2 particulas tiene lugar por medio del intercambio de un Boson, en el caso electrico es el foton, en el nuclear, es el pion. Las teorias normadas (o calibradas) cumplen con este esquema: se parte de una funcion Lagrangiana, que implica ciertas ecuaciones del campo, se asocia un campo para cada particula ciertas particulas se agrupan en familias o “multipletes“ , p.ej. el electron y el neutrino, ................................. las ecuaciones son invariantes bajo un conjunto de transformaciones “de norma“, que cambian a los potenciales Au, estos son los campos-propagadores o “bosones de norma“. por ejemplo, la invariancia de la carga electrica es consecuencia de la invariancia de las
ecuaciones electromagneticas de Maxwell. Y el potencial Au describe al Foton propagador. En el caso Nuclear, son 8 los potenciales, es conservado el numero cuantico del “color“ los propagadores son 8 y se les bautizo como Gluones (del ingles Glue, pegamento) son 3 los “colores“ rojo, verde y azul, son 3 los Quarks fundamentales. Matematicamente, el grupo involucrado es el SU(3)-color. El “color“ es para las fuerzas nucleares lo que es la carga electrica para la fuerza electrica. Tambien se puede decir: “cargas nucleares“. xxx aca; campos de las particulas y de los bosones de norma, de los higgs EL BOSON DE HIGGS Esta es una particula o campo muy especial, bautizado asi en honor de Peter Higgs, un fisico escoces quien lo propuso por vez primera en las teorias de particulas y campos. este campo-particula, se acopla fisicamente con las demas particulas, y cuando sucede el fenomeno del “rompimiento espontaneo de la simetria“ genera las masas de tales particulas, se han hecho muchos experimentos para detectar este boson y hasta ahora no lo han detectado. Dar los detalles de este proceso, nos llevaria a unas ecuaciones matematicas que no estan en el objeto de la presente monografia LA CROMODINAMICA CUANTICA EL MODELO ESTANDARD Este modelo antes mencionado, ha sido comprobado en los experimentos hechos en los grandes aceleradores, en Europa el llamado LEP (large electron positron), y en California el llamado SLAC (stanford linear acelerator center), con una precision de 10%. De acuerdo con este modelo, las fuerzas fundamentales se deben al intercambio de bosones intermediarios tales como el bautizado como Z. Este interactua con las particulas fundamentales: los fuertemente interactuantes Quarks y con los leptones, que no interactuan fuertemente, esto es, via la fuerza nuclear fuerte. Permite explicar porque unas particulas son estables mientras que otras decaen muy rapido Todas la leyes de conservacion de la Fisica estan construidas en el modelo. Estas, junto con la dinamica de las interacciones, explican las vidas-promedio y los patrones del decaimiento de las particulas. En 1983 fueron descubiertos las particulas W (con carga + y –) y la Z., que son los bosones mediadores de la fuerza nuclear-debil, y tienen masas de alrededor de 90 GeV. esto, sumado a las evidencias sobre la existencia de los gluones y al exito de la Q E D, esto establece sobre bases firmes la validez de los principios de la Invariancia de la Norma. Los experimentos establecen un limite de 6 quarks y de 6 leptones. El 6o. y ultimo, bautizado como: TOP (en español: el de arriba) fue encontrado en los experimentos con aceleradores de altas energias, en el laboratorio nacional Fermilab en 1995. En el Fermilab el acelerador hace chocar 2 haces de particulas: protones y anti-protones y se generan otras particulas con grandes masas, este colisionador hara posible explorar masas de unos cientos de GeV (Giga electron-volts, un Giga son mil millones) (un electron-volt es la energia que tiene un electron cuando es acelerado por una
diferencia de potencial electrico de 1 Volt). En nuestra escala macroscopica es una energia pequeña, pero a la escala microscopica del electron, no lo es. (segun la formula de la Relatividad: E = m c 2, la masa numerica que se da en kilogramos, se transforma en la unidad de Energia: Joules, o de electron-Volts) en estas unidades, un electron tiene una masa de 0.5 millones de electron-volts,(MeV) y el proton: 938 MeV Existen varios problemas sin resolver en este campo de la Fisica de Particulas: (1) Las masas: ?cual es el origen de las diferentes masas de las particulas y en particular como los bosones Z y el W adquieren masas de alrededor de 91 y 80 GeV, mientras que el Foton permanece sin masa?. La teoria de la Relatividad de Einstein nos dice que existe una equivalencia entre la masa y la energia, pero no dice nada del origen de las masas. Aqui es donde entran en estas teorias unificadas, el campo de Higgs, pero para unos teoricos este campo es insatisfactorio. Segun el fisico Robert Ellis, debe haber una particula asociada con este campo, correspondiente a la fluctuaciones cuanticas, la cual ha sido la presa de la busqueda en varios aceleradores no la han encontrado, segun los calculos teoricos, su masa debe ser mayor de 90 GeV,o sea 90 veces mas pesada que un proton. Y si tomamos en cuenta a los modelos Supersimetricos, estos predicen una pletora de nuevas particulas, el boson de Higgs puede existir acompañado por varias particulas “supersimetricas“, una por cada particula conocida con igual carga pero diferente spin. Pero hasta ahora estas nuevas y exoticas particulas no han sido observadas. Estos problemas seran dilucidados con la nueva generacion de aceleradores, mucho mas energeticos. (2) cuantizar las interacciones gravitacionales, hasta ahora nadie tiene una teoria satisfactoria de la Gravitacion cuantica. (3) comprobar experimentalmente la Teoria de la Gran Unificacion, siglas en ingles G U T que unifica las interacciones fuertes y la electro-debil. ?podran las Teorias Normadas de las interacciones electro-debiles ser combinadas con la teoria de las interacciones nucleares en una Gran Teoria Unificada ? y tal vez con la Gravedad en la llamada Teoria de Todo ? (4) encontrar el limite de validez del Modelo Estandard (5) la espectroscopia de los fermiones fundamentales comprobar la existencia del boson escalar de Higgs. ( 6) el problema del “Flavor“ Para atacar estos problemas se cuenta con estas herramientas teoricas y experimentales: Teoria de la gran unificacion Supersimetria Supergravedad teorias tipo de la teoria de Kaluza y Klein.
teoria del Hipercolor teoria de las Supercuerdas, veremos mas adelante en que consisten estas teorias. Todas estas contienen al Modelo Estandard y van mas alla de este. Herramientas experimentales La Cosmologia, que es el estudio del Cosmos o Universo. En la teoria mas aceptada,ahora sobre el origen de nuestro universo, la teoria de la Gran Explosion, en su “nacimiento“ imperaban energias muchisimo mayores que las que tenemos disponibles en los laboratorios terrestres y por esto, el modelar la dinamica de aquellos tiempos iniciales constituye un laboratorio donde se puede poner a prueba la consistencia de la teorias que hemos mencionado y que son mas avanzadas que el modelo estandard, y mas complicadas matematicamente. YENDO MAS ALLA DEL MODELO ESTANDAR A pesar del exito del modelo standard, este no puede ser la ultima palabra por las razones: No es una verdadera unificacion de la fuerza debil y la electrica, pues, tecnicamnante, el grupo de la simetria no es simple (aca simple quiere decir que no sea el producto de dos grupos) 2) las familias de particulas estan puestas “a mano“ o sea, no se sabe por que se repiten y cuantas existen. 3)los terminos de las masas, en las ecuaciones, estan puestas “a mano“. 4) el campo de Higgs se introduce sin una motivacion teorica y su potencial se arregla para que ocurra la rotura espontanea de la simetria. Hay una respuestas parciales a estos problemas, a la Gran Unificacion LA TEORIA DE KALUZA Y KLEIN Theodor Kaluza, en los años 20’s construyo una extension de la teoria de la Relatividad de Einstein, con el objeto de unificar la Gravitacion con el Electromagnetismo, para hacer esto extendio el espacio-tiempo de Minkowski, que tiene 4 dimensiones (3 dimensiones espaciales y una temporal)ñ a un espacio de 5 dimensiones, al principio su teoria le parecio al mismo Einstein como muy atrevida, y fue relegada, hasta el tiempo actual, donde se trabaja en espacios de 5 dimensiones, o de 11 o 26, segun el caso. el fisico sueco Oskar Klein extendio la teoria de Kaluza. LA SUPERSIMETRIA Asi como Heisenberg dio la simetria SU(2) para la fuerza nuclear, el proton y el neutron quedan unidos en un doblete (p,n), en terminos fisicos, esto quiere decir: la fuerza nuclear es la misma, si las particulas interactuantes son proton-proton o proton-neutron, o neutron-neutron, hay una simetria de “intercambio“. Yang y Mills establecieron
la simetria SU(2), que es muy fructifera para explicar fenomenos nucleares, y Gell-Man encontro la simetria SU(3) que condujo a los Quarks. Los fisicos teoricos investigan la existencia de simetrias mas amplias para explicar mas fenomenos. En busca de simetrias superiores, J Wess y Bruno Zumino definieron el algebra de la Supersimetria, es tal que engloba a los Fermiones y Bosones en una sola familia, el multiplete (B,F) donde B es el campo de la particula que es Boson, y F el campo de la particula Fermion. LOS ACELERADORES DE PARTICULAS Estos son los instrumentos experimentales empleados para indagar los procesos que ocurren a nivel de las Particulas Elementales: esquematicamante constan de un cañon que dispara particulas a muy altas velocidades sobre un “blanco“ hecho de materia y un detector que registra a las particulas resultantes de la colision entre los proyectiles y el blanco. Es un proceso muy violento, es como si un relojero quisiera averiguar sobre el interior de un reloj, despedazandolo con golpes de martillo, y analizando las piezas rotas resultantes. El microscopio electronico mas potente, es insuficiente para observar que hay en el interior de los nucleos de los atomos. Con los aceleradores, se efectuan experimentos para investigar en distancias tan pequeñas como: 0.000000000000000001 metros, comparada con una micra, que es 0.000001 metros !! a distancias tan pequeñas, los efectos cuanticos son los dominantes, estos efectos se deben a la naturaleza ondulatoria de la materia, como lo descubrio Luis deBroglie en 1925. Los proyectiles pueden ser electrones, piones, protones, neutrinos, kaones, muones. y cada uno posee numeros cuanticos diferentes, algunos de los cuales son conservados en las colisiones. Esta propiedad es importante: la Conservacion de los Numeros Cuanticos en el proceso de la colision. Otro parametro importante es la energia del proyectil: pues mientras mas alta es su energia, mas pequeño es el tamaño de los objetos que pueden ser analizados en los blancos. Dado el enorme tamaño de los aceleradores, es ironico que para estudiar lo mas pequeño se utilizen laboratorios tan grandes. El gran colisionador de hadrones (LHC siglas en ingles) que estara en operacion en Europa en 2005, en la frontera Franco-Suiza, CERN (comision europea de investigacion nuclear) ocasionara colisiones proton con proton, con una energia de 14,000 GeV. TIPOS DE ACELERADORES En el acelerador lineal, el haz de particulas cargadas pasa sucesivamente por una serie de cavidades con campos electricos oscilantes, debido a la fuerza electrica, el haz es acelerado. el voltaje en cada cavidad es de un millon de volts, o sea en breve, 1 MeV. Para lograr una energia de 20 Giga eV, o GeV, se necesitan 20,000 cavidades, asi el acelerador lineal de Stanford tiene una longitud de 4 kilometros. EL SINCROTRON. Para aumentar la energia del haz, se guian a las particulas en un circulo, y por medio de campos magneticos externos, imanes, las cavidades pueden usarse
varias veces. No se debe usar para electrones a muy alta energia porque cuando estos viajan en circulos emiten mucha energia, llamada Radiacion de Sincrotron, Aceleradores combinados, como el de Fermilab, en Illinois, EEUU, que consta de 3 etapas: uno lineal, que da energia hasta de 200 MeV, un Sincrotron pequeño que tiene una energia final de 8 GeV, un Sincrotron grande, con un diametro de 2 km, y entrega una energia final de 200 GeV. LA SUPERGRAVEDAD, UNA TEORIA UNIFICADA DE LAS 4 FUERZAS Esta teoria es la extension de la teoria de la Gravitacion de Einstein, tambien llamada: Relatividad General, porque es una generalizacion de la teoria de la Relatividad Especial, la cual se limita a sistemas de referencia inerciales, esto es, se mueven con velocidad constante, en la Teoria General, los sistemas pueden ser acelerados. La extension considerada consiste en ampliar las transformaciones de coordenadas entre observadores, a un grupo de transformaciones mas amplio y abstracto que es la llamada Supersimetria, o simetria que engloba a los Fermiones y los Bosones. LA TEORIA DE LA GRAVITACION DE EINSTEIN Cabe aqui hacer una breve sintesis sobre en que consiste la teoria debida a Einstein en la teoria de la relatividad especial se consideran transformaciones entre sistemas que tienen velocidad constante, Einstein quiso generalizar su teoria para incluir transformaciones entre sistemas con aceleracion. Hay una contradiccion entre la Gravitacion Newtoniana y la Relatividad: en aquella, la fuerza se propaga con velocidad infinita, es instantanea, pero en la relatividad, la velocidad maxima es c, la velocidad de la luz, asi que es necesario modificar a la teoria de la gravitacion newtoniana, este problema le llevo a Einstein resolverlo, 10 años. finalmente, se dio cuenta que debia trabajar en un espacio con curvatura, usar una matematica inventada por Gauss y Rieman: la geometria de los espacios curvados y el calculo tensorial. al generalizar una ecuacion basica de la gravitacion, debida a Laplace, llego a una ecuacion que expresa que la materia curva el espacio fisico de 3 dimensiones. Y que las fuerzas gravitacionales en realidad se deben a la curvatura del espacio. Esta teoria, muy dificil matematicamente, se comprobo experimentalmente cuando los astronomos midieron, en un eclipse de Sol, la desviacion de la luz de una estrella lejana cuya luz nos llega, rozando la superficie del Sol: o sea la gran masa del Sol ocasiona la curvatura del rayo de luz de la estrella lejana.
CONEXION CON LA ASTROFISICA Y CON LA COSMOLOGIA Si en este lugar, el lector se pregunta: ¿esto es todo ? ¿podemos explicar nuestro universo solamente por medio de particulas interactuando entre si ?, se polarizan las opiniones de los cientificos, unos, siguiendo las ideas de Einstein y Schrodinger, prefieren pensar en la existencia de un gran diseno que actua en el universo, otros, en la linea de ideas de los mecanicistas como Ernest Mach y Laplace, prefieren negar cualquier enfoque que les puede parecer metafisico. Aqui el lector puede hacer su eleccion particular. El siguiente tema, muy polemico, ejemplifica esta problematica,
El PRINCIPIO ANTROPICO Algunos fisicos consideran el problema de deducir teoricamante los valores de algunas constantes fisica a partir de primeros principios, uno de esos intentos lo hizo el Astrofisico Eddington, en su libro “Teoria Fundamental“, En las modernas Teorias Unificadas algunos intentan deducir el valor de la carga del electron, o el valor de la llamada “constante de estructura fina“, descubierta por Somerfeld, llamada “alfa“, y que vale (e2 /h c) = 1/137. En 1899, Max Planck descubrio un sistema de unidades, que lleva su nombre, y que valen:
Lp = 0.0000000000000000000000000000000016 centimetros llamada: longitud de Planck, es un numero increiblemente pequeño el tiempo de Planck: Tp = 0.00000000000000000000000000000000000000000005 segundos y la Masa de Planck: Mp =0.000022 gramos. estas unidades son aplicadas en las teorias del origen del Universo: donde se mezclan las teorias unificadas de las Particulas Elementales, y la Teoria de la Gravitacion, de Einstein. los fisicos Paul Dirac, Robert Dicke, Brandon Carter, siguiendo las ideas de Eddington, encontraron unas coincidencias notables en las siguientes constantes fisicas: el numero de particulas del universo, el radio del universo en su maxima expansion, el “radio“ de una particula elemental, la constante de estructura fina, la constante gravitacional el numero de fotones en el universo, el numero de bariones, y la longitud de Planck, las coincidencias son que, cocientes de esas constantes, son potencias algebraicas del numero 10 a la potencia 10: 10[EQUATION]10. 10[EQUATION]20, 10[EQUATION]40, 10[EQUATION]80. por ejemplo: 10[EQUATION]10 = 10,000,000,000 ñ diez mil millones.
Pues bien, Brandon Carter calculo que si la constante “alfa“ variara un uno por ciento, esto causaria que todas las estrellas serian estrellas rojas o estrellas azules. En estos casos, ninguna estrella como nuestro Sol existiria! . Carter, en 1968, se pregunto ¿como pudo haberse desarrollado la vida biologica si los valores de las constantes fisicas hubieran diferido substancialmente de los valores que tienen ? Los cientificos orientados en cuestiones filosoficas y religiosas se preguntaban si existe entonces una super inteligencia que diseña el universo, del modo como un Arquitecto planea una casa o edificio, basandose en las leyes mecanicas y en la estetica. El cosmologo Robert Dicke, en 1961, notaba que el orden correcto de las ideas puede no ser: asi es el universo, luego el Hombre debe ser, o sea las teorias evolucionistas biologicas. sino: aqui esta el Hombre, y asi, como debe ser el universo ?. En otras palabras: (1) ¿que tan bueno es un universo sin que exista la conciencia de ese universo ? (2) la conciencia demanda la existencia de la vida biologica. (3) la Vida demanda la presencia de elementos quimicos mas pesados que el hidrogeno (4) la produccion de elementos pesados demanda que exista la combustion Termonuclear: produccion de elementos pesados por Fusion Nuclear de elementos ligeros. (5) la combustion termonuclear requiere normalmente de varios miles de millones de años de tiempo de “cocina“ dentro de una estrella. (6) varios miles de millones de años no seran disponibles en un universo cerrado, de acuerdo con la teoria de la gravitacion, a menos que el radio del universo en su maxima expansion sea de varios miles de millones de años-luz, o mas. asi que ¿por que, en este marco de ideas, el universo es tan grande como los es? porque solo asi, la Humanidad puede estar aqui, en este universo.
LA TEORIA DE LAS SUPERCUERDAS En esta teoria las componentes fundamentales de la materia no son particulas puntuales sino cuerdas sub-microscopicas, de longitud del orden de la distancia de Planck.
“Es sorprendente que a pesar de la complejidad del mundo, podemos descubrir en sus fenomenos determinada regularidad“: Erwin Schrodinger
