Lo que sabemos sobre las partículas
Esquema general:
Los filósofos griegos
Desde la antigüedad, el Hombre ha estado interesado en el origen del cosmos y su composición. Los filósofos griegos, verdaderos revolucionarios científicos, entendieron que había que buscar la verdad en el logos y la physis, en lugar de perseguirla en la mitología.
Las primeras reflexiones se orientan hacia la búsqueda del arjé (elemento origen): El agua de Tales (624-546 a.C.), el aire de Anaxímenes (586-525 a.C.), el apeiron de Anaximandro (610-546 a.C.) o los números pitagóricos son los primeros intentos de esta reflexión.
Empédocles (490-430 a.C.) propone dos fuerzas opuestas que darán origen a los cuatro elementos (fuego-aire tierra-agua). Combinando los cuatro elementos se formarán los objetos del cosmos. El universo de Leucipo y Demócrito (460-370 a.C.) está formado por átomos indivisibles que se mueven a través del vacío.
Para Aristóteles (384-322 a.C.), la materia de todo el espacio sublunar, se forma por combinación de los cuatro elementos esenciales: fuego, aire, tierra y agua. Añade un quinto elemento: el éter, por donde se mueven los cuerpos celestes en el espacio supralunar.
Los epicúreos insistieron en infinitos átomos impenetrables que configuraban infinitos mundos, pero el punto de vista de Aristóteles se impuso durante siglos.
El renacimiento: origen de todo
La filosofía, en la edad media, viene marcada por les relaciones entre la extraña pareja: fe y razón. Considerándose la razón esclava de la fe.
Es en el renacimiento cuando la filosofía natural (la Física) recibe el gran impulso. Bajo el paraguas del humanismo, Francis Bacon 1561-1626, (método científico), Galileo 1564-1642, (modelos matemáticos), Issac Newton 1643-1727, (ley de la gravitación universal), forjan la gran revolución que nos ha dejado grandes logros y grandes fracasos.
La luz
Aristóteles definió la luz como “acto” de la transparencia (“potencia” del aire y el agua). Ver Platón y Aristóteles. Diferencias filosóficas.
Newton consideraba que la luz eran partículas materiales que emitía el foco luminoso.
Thomas Young 1773-1829, en 1801, descubrió, mediante el experimento de la doble rendija, que la luz era una onda.
Maxwell 1831-1879, unificó los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto y determinó que la luz es una onda compuesta por un campo electromagnético. Demostró que las ondas electromagnéticas (luz visible, ultravioleta, rayos X, rayos gamma, ondas de radio) nunca se detienen, ni reducen su velocidad. La luz siempre viaja a la velocidad de la luz.
Cuantos de energía
Max Planck 1856-1947, estableció que la energía de una onda electromagnética se presenta en paquetes (Cuantos de energía). El Cuanto es proporcional (según una constante, llamada de Planck: ħ) a la frecuencia de la onda. Planck se considera el fundador de la teoría cuántica.
Albert Einstein 1879-1955, propuso que, al incidir la luz en una placa de metal, se energiza a los electrones de la placa con una energía dependiente de la frecuencia de la luz. La luz debería considerarse como un flujo de diminutos paquetes de energía (que Gilbert Lewis denominó fotones). La energía de cada paquete es proporcional (según la constante de Planck, ħ) a la frecuencia. Los electrones, si reciben fotones con suficiente energía, escapan de la placa metálica (efecto fotoeléctrico).
Los fotones se comportan como partículas de energía y como ondas.
E=mc2
Einstein, en 1905, demostró que: E=mc2 siendo m la masa en reposo y c la velocidad de la luz. Energía y masa son dos aspectos de la misma propiedad. Por otro lado, m’ = m / raíz cuadrada (1-(v2/c2)) siendo m’ la masa en movimiento. Si una masa alcanzara la velocidad de la luz se volvería infinita.
El modelo del átomo
John Dalton 1766-1844, en 1808, estableció su teoría atómica, afirmando que la materia está constituida por partículas indivisibles que se asocian para formar compuestos. Descubrió las masas atómicas de varios elementos.
J. J. Thomson 1856-1940, Ernest Rutherford 1871-1937, Niels Bohr 1895-1962, y James Chadwick 1891-1974, en 1933 establecieron un modelo atómico como una estructura parecida al sistema solar, con un núcleo de protones y neutrones, y un grupo de electrones describiendo órbitas específicas y caracterizadas por su nivel energético. Los átomos están casi vacíos.
Partícula subatómicas
En 1955, Frederick Reines 1918-1998 y Clyde Cowan1919-1974, encontraron evidencias de la existencia de los neutrinos (electrón-neutrino), partículas que atraviesan la materia sin producir efectos
En 1968 científicos, trabajando con el acelerador lineal Stanford demostraron que protones y neutrones estaban formados por partículas más pequeñas. Murray Gell-Mann 1929-2019, les dio el nombre de quarks.
Posteriormente se han ido descubriendo nuevas partículas que se pueden tabular en 3 familias con características similares a nivel de fila:
Antimateria
Además, cada partícula tiene su antipartícula (el positrón es la antipartícula del electrón) con igual masa y cargas de signo contrario. Al poner en contacto materia y antimateria se aniquilan produciendo energía pura.
Las 4 fuerzas
Por otra parte, las interacciones entre objetos se pueden reducir a la combinación de cuatro fuerzas: Gravedad, Electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. Todas las fuerzas tienen asociadas una determinada partícula de fuerza:
La existencia del Gravitón no ha sido probada.
Fermiones y Bosones
Los científicos comprobaron que el spin (número cuántico asociado al momento angular intrínseco) de las partículas de fuerza (Gluón, Fotón, Gravitón, Bosones gauge) es entero. Las partículas de fuerza reciben el nombre de Bosones. El spin de las partículas materiales (Electrón, Quark, Neutrino) es semientero. Las partículas materiales reciben el nombre de Fermiones. Debido al spin semientero, dos Fermiones en un sistema, no pueden ocupar el mismo estado cuántico (principio de exclusión de Pauli). Los Bosones no tienen esta limitación. Los Fermiones se combinan para formar átomos y moléculas. Los Bosones proporcionan el mecanismo de unión entre Fermiones.
El bosón de Higgs
En 2012, científicos trabajando en el LHC (colisionador de hadrones: protones y neutrones) del CERN, detectaron una partícula compatible con el Bosón de Higgs. El bosón de Higgs, de spin 0, constituye la partícula cuántica del campo de Higgs. El campo de Higgs, que se extiende por todo el Universo, es el causante de la existencia de la masa de las partículas.
Mecánica cuántica
Louis De Broglie 1892-1987, afirmó que el electrón podría tener una descripción igualmente válida en términos de ondas. De Broglie determinó que las longitudes de ondas generadas por la materia son proporcionales a la constante de Planck (long. onda = ħ / momento del cuerpo material)
Max Born 1882-1970, pensó que una onda electrónica se debe interpretar desde el punto de vista de la probabilidad. Si un lugar tiene una magnitud de onda grande, es el lugar donde es más probable encontrar el electrón.
Erwin Schrödinger 1887-1961, desarrolló una fórmula que determina la forma y la evolución de las ondas de probabilidad (o funciones de onda), de una partícula.
Superposición cuántica
Los científicos comprobaron que las partículas se comportan como ondas. Un rayo de electrones que incida en una doble rendija genera un espectro de interferencia como una onda (aunque disparemos los electrones de uno en uno). La función de onda del electrón prevé este comportamiento. Pero si se intenta ver que rendija atraviesa el electrón (mediante fotones), el experimento se modifica y la interferencia desaparece. Feynman 1918-1988, aportó una visión distinta (el principio de superposición cuántica): el electrón pasa por las dos rendijas simultáneamente, pero si se observa el fenómeno, el electrón pasa por una sola. Si un sistema cuántico puede tener varios estados, el principio de superposición dice que el sistema se encuentra en un estado “suma” de todos los estados, pero si se intenta medir, el sistema “colapsa” aleatoriamente en un determinado estado.
Principio de incertidumbre
Werner Heisenberg 1901-1976, anunció en 1927 el principio de incertidumbre: una mayor precisión al medir la posición implica necesariamente una mayor imprecisión en la medición de la velocidad, y viceversa. Esto con independencia de instrumentos y proceso empleado.
Modelo cuántico del átomo
El modelo cuántico del átomo engloba los conceptos de: De Broglie (los electrones se comportan como ondas), Schrödinger (función de onda), Born (probabilidad) y Heisenberg (principio de incertidumbre). El electrón se encuentra disperso por todo el átomo, la función de onda determina el lugar más probable de encontrarlo, pero no podemos conocer a la vez, con precisión, su posición y su energía.
Fluctuación cuántica
En mecánica cuántica una partícula puede tomar “prestada” energía si la devuelve rápido. Con esta energía “prestada” las partículas pueden atravesar barreras de potencial mayor a su energía cinética (efecto túnel). Esta energía prestada es la fluctuación cuántica. Durante un breve periodo de tiempo la energía prestada puede ser suficiente para tener masa y crear materia (creación de partículas virtuales).
Entrelazamiento cuántico
Dos partículas pueden enlazarse en un estado cuántico (por ejemplo, de spin nulo) formando un sistema cuántico. Cuando una partícula gira en un sentido la otra gira en sentido contrario. La variación en el giro de una partícula conlleva, inmediatamente, la variación en la partícula enlazada, aunque las dos partículas estén alejadas miles de años luz. El entrelazamiento cuántico fue predicho por Einstein, Podolsky y Rose (EPR), en 1935 y puede ser la base para la teleportación cuántica.
Teoría de cuerdas
Cuando la mecánica cuántica se aplica a la estructura del espacio-tiempo, muestra unas imperfecciones fatales.
La teoría de cuerdas afirma que las partículas están formadas por un diminuto bucle unidimensional. Cada partícula contiene un filamento, infinitamente delgado, que vibra y que los físicos han denominado cuerda. Las distintas características de las partículas son debidas a los distintos modos de vibración de la cuerda. Las distintas cargas de fuerza y masa están determinadas por el modelo de oscilación de la cuerda. Las partículas de fuerza (fotón, gluón, bosón, gravitón) están también asociadas con modelos específicos de vibración de las cuerdas.
La teoría de cuerdas resuelve el conflicto entre la mecánica cuántica y la teoría general de la relatividad. Se la conoce como la teoría del todo (T.O.E: Teory Of Everything). Introduce 11 dimensiones. Para su verificación se requieren energías fuera de nuestro alcance. Sus detractores la consideran Filosofía en lugar de Física.
Referencias
El universo elegante de Brian Green