Investigación sobre las cuatro fuerzas fundamentales y el modelo estándar (fuerzas: electromagnética, nuclear fuerte, nuclear débil y gravitatoria).
Enunciado: ¿Cuál es la finalidad del modelo estándar?
- El modelo estándar es la teoría que reúne los conocimientos sobre la materia y sus interacciones, formulada durante la década de 1970 (Glashow, Salam, Weinberg, Higgs, Glashow).
- Su finalidad es describir, de forma unificada y cuantitativa, todas las partículas fundamentales de la materia y sus propiedades (carga, masa, espín) junto con las interacciones fuerte, débil y electromagnética.
- Permite explicar y predecir, con altísima precisión experimental, los resultados de colisiones de partículas, las reacciones nucleares y los procesos cuánticos a escalas subatómicas.
- Aclara explícitamente su alcance: no incluye la gravedad, que sigue estando descrita por la relatividad general y es el gran pendiente de la física teórica (la búsqueda de una teoría del todo).
Describir de manera unificada e integrada las partículas fundamentales de la materia y las tres interacciones que las rigen —fuerte, débil y electromagnética—, explicando y prediciendo con exactitud sus comportamientos y resultados experimentales, sin incluir la gravedad.
Enunciado: Enuncie las cuatro fuerzas que permiten explicar cualquier fenómeno de la física presente en la naturaleza.
Se listan las cuatro interacciones fundamentales reconocidas por la física actual, ordenadas de mayor a menor intensidad a distancias cortas:
- Fuerza nuclear fuerte: mantiene unidos los quarks dentro de protones y neutrones y, por ello, al núcleo atómico.
- Fuerza nuclear débil: interviene en los procesos de desintegración radiactiva (decaimiento beta) y en las reacciones nucleares del Sol.
- Fuerza electromagnética: actúa entre partículas con carga eléctrica y explica la estructura de la materia, la luz y la química.
- Fuerza gravitatoria: actúa entre toda materia con masa y energía, y gobierna los movimientos planetarios, estelares y galácticos.
Todas ellas son mediadas por portadores: gluones (fuerte), bosones W^{+}, W^{-}, Z^{0} (débil), fotones (\gamma) (electromagnética) y el hipotético gravitón (gravitatoria).
Las cuatro fuerzas son: la nuclear fuerte, la nuclear débil, la electromagnética y la gravitatoria.
Enunciado: Defina la fuerza electromagnética e indique sus principales características y curiosidades.
- Definición: es la interacción que actúa entre partículas portadoras de carga eléctrica (positiva o negativa) y es la responsable de que los átomos y moléculas se mantengan unidos.
- Características: su intensidad se describe por la ley de Coulomb, F = k\,\dfrac{q_{1} q_{2}}{r^{2}}, de alcance aparentemente ilimitado (decae como \dfrac{1}{r^{2}}); es \approx 100 veces más intensa que la gravitatoria y se extiende (y debilita) en torno a 10^{-13}\,\text{cm}; es repulsiva entre cargas iguales y atractiva entre cargas opuestas.
- Curiosidades: es mediada por el fotón, partícula sin masa; unifica la electricidad y el magnetismo en una sola teoría (electromagnetismo de Maxwell, s. XIX); está unida a la fuerza nuclear débil en la interacción electrodébil (Glashow, Salam y Weinberg, Nobel 1979); es la que permite la visión (la luz), el sonido y toda la vida tal como la conocemos, pues gobierna los enlaces químicos.
La fuerza electromagnética es la interacción entre partículas con carga eléctrica, mediada por fotones, de alcance prácticamente ilimitado y muy superior a la gravitatoria, responsable de la estructura de la materia, la luz y los enlaces químicos.
Enunciado: Indique cuál fue la primera fuerza que se dio a conocer o se explicó de manera analítica.
- Históricamente, la primera fuerza que se describió con fórmula matemática fue la gravitatoria.
- Isaac Newton formuló la ley de la gravitación universal en 1687 (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica): F = G\,\dfrac{m_{1} m_{2}}{r^{2}}, donde G = 6{,}674\times 10^{-11}\,\dfrac{\text{N}\,\text{m}^{2}}{\text{kg}^{2}}.
- Esta ley unificó la caída de los objetos en la Tierra con el movimiento de los planetas alrededor del Sol (leyes de Kepler), explicando el mismo fenómeno en la Tierra y en el cielo.
- Más tarde, en 1915, Einstein la reemplazó por la relatividad general, que la describe como la curvatura del espacio-tiempo causada por la masa.
La fuerza gravitatoria, mediante la ley de la gravitación universal de Isaac Newton (1687).
Enunciado: ¿Qué significan las siglas Q.E.D.?
- Las siglas provienen del latín: Q.E.D. = Quod Erat Demonstrandum, que se traduce como "lo que quería demostrar".
- Se escriben al final de una demostración matemática o física para señalar que se ha completado con éxito el razonamiento y que la proposición queda probada.
- En español se sustituye frecuentemente por "lo que se quería probar" o "demostrado".
Q.E.D. significa, en latín, Quod Erat Demonstrandum ("lo que quería demostrar").
