Física: De lo simple a lo complejo, De lo invisible a lo inabarcable.

[programatrix]

Me motivó Eleкtro a publicar un tema sobre ciencia y a ello voy. Antes de nada aclarar que este mensaje es absolutamente propio, elaborado con los conocimientos adquiridos en mi formación como Físico. Por lo tanto tiene explicaciones propias, que pueden resultar más o menos interesante, no es un copy&paste al uso.

La física es siendo una forma rápida de definirla, el estudio de la naturaleza. Viene del Griego que significa naturaleza. Podríamos decir que estudia la naturaleza inerte, la materia, la energía, el espacio y tiempo. Hay un largo camino entre los primeros Griegos que hicieron las primeras teorías científicas. Si, aunque ahora nos parezca un chiste pensar que los Griegos hacían ciencia la hacían. Eran conceptos equivocados, estaban erróneamente descritos, pero se dedicaban a observar un fenómeno e intentar dar una explicación lógica del fenómeno. Si bien es cierto no existía detrás una base matemática como actualmente se utiliza en ciencia.

Después de los progresos Griegos y algunos puntuales Romanos la ciencia se paró hasta el renacimiento. Las teorías Griegas fueron un dogma científico durante toda la edad media. El Islam si bien es cierto hizo algunos progresos científicos pero bastantes tímidos.
A partir del renacimiento empieza la ciencia, toda la física clásica empieza en el renacimiento, grandes hombres como Kepler, Copernico,Galileo Galilei, Newton, etc..

La física clásica: La mecánica clásica nos ofrece la descripción física del mundo a nuestra visión cotidiana. Es decir, " a tamaño normal". Rondaría de longitudes de micras hasta longitudes de millones de kilómetros. Y velocidades bajas, velocidades mucho más pequeñas que la velocidad de la luz.
En la mecánica clásica el tiempo es absoluto, el espacio es absoluto, es una física determinista, lo que quiere decir que conocemos con total precisión la posición, velocidad y cantidades físicas de los objetos midiendo.
Esta física es útil para entender el movimiento de un coche, de planetas pocos masivos, problemas de hidrodinámica, etc...
Junto con la mecánica clásica se descubrieron otras disciplinas físicas, como la óptica.
Hasta el siglo XVIII la única fuerza conocida era la fuerza gravitatoria. Aun no se había descrito, ni se conocía como fuerza la electricidad.
Nos movemos en un tiempo absoluto, espacio absoluto y todas las variables físicas determinada. Podemos conocer midiendo con exactitud los valores que queramos y predecir con ecuaciones que sucederá a los objetos con total precisión.

La física clásica continua, más adelante se desarrolla la termodinámica, la óptica y el electromagnetismo. De estas disciplinas la que más nos interesa es el electromagnetismo para continuar nuestro viaje histórico por la física.

El electromagnetísmo. Primero se descubrió las cargas electricas, la electrostática. Cargas inmóviles en el tiempo, luego se descubrió que las cargas en movimiento inducian un campo magnético y viceversa un campo magnético induce uno eléctrico. Ese es el mecanismo fundamental de las ondas electromagnéticas y la forma de producirlas. Todo el electromagnético que podemos llamar clásico queda descrito por las ecuaciones de Maxwell. Sigue siendo clásico porque en el electromagnetismo clásico podemos conocer con total exactitud los campos electrico y magnético. Y aunque estas ondas se propagan por el espacio a la velocidad de la luz, tienen una descripción clásica. Ahora tenemos dos fuerzas fundamentales la gravitatoria y la eléctrica.

Con las disciplinas de la física totalmente descubiertas para los avances de la época hubo quien defendía que la física era una disciplina acabada, pero dos habían surgido dos hechos experimentales que no cuadraban.
Uno era la catástrofe ultravioleta, que dio origen a la física cuántica.
La precesión del perihelio de Mercurio, que dio origen a la teoría de la relatividad

La física clásica funciona muy bien para los hechos más cotidianos, pero falla estrepitosamente al irnos hacia lo más pequeño o hacia lo más rápido. Es más propiedades de la materia son inexplicables desde una percepción clásica. El magnetismo de la materia es imposible de entender sin la física cuántica.

Empezaremos hablando de la física cuántica, la física cuántica toma el nombre de que todo esta cuántizado. Esto significa que si nos ponemos a dividir la energía poco a poco en porciones más pequeñas, llegará un momento en que esa energía solo se da en valores discretos. Esto es, puedes tener una, dos, tres unidades de energía, pero es imposible tener 2,5 unidades de energía. Cuando tenemos cientos de miles de unidades de energía, vemos la energía como un número continuo pero esto no es así. Está cuántizada en valores discretos. Cada fotón, es un cuanto de energía, hablar de fotones y energía es similar, pues un fotón es pura energía. Esto es el postulado de Max Plank.
También se descubrió, que dependiendo el experimento un objeto físico puede mostrar dos propiedades diferentes, un fotón puede comportarse como onda o como partícula. En el experimento de la doble rendija de Young, si se envían fotones puntuales no se sabe por cual de las dos rendijas pasa el fotón, pero se ve que golpea, sin embargo cuando tenemos muchos fotones tenemos propiedades ondulatorias en la partícula. La luz puede comportarse como partícula o como corpúsculo, dualidad onda partícula.
Más adelante se descubrió que además al realizar una medida física en el mundo cuántico se alteraba las medidas de otras medidas físicas. Y que ya no podemos predecir en el tiempo que sucede con una partícula física, solo podemos hablar ahora de probabilidad. No podemos saber si la partícula está ahí o no hasta que no midamos. Y si medimos la posición ya no podemos saber la velocidad que llevaba. El principio de incertidumbre de Heisemberg
Esto da lugar a que ahora las partículas no se definen como un objeto puntual, si no como una función de onda. O como llamamos los físicos función densidad de probabilidad. Además resultan interesantes de estudio los sistemas estacionarios o periódicos, es decir esos que no dependen del tiempo pues nos permite conocer valores físicos precisos sin la necesidad de tener que determinar el tiempo, eso nos permite determinar con total exactitud la energía del sistema.
Los sistemas cuánticos están regidos por la ecuación de Schrodinger, solo podemos saber los valores físicos con una cierta probabilidad hasta que medimos. Todo esto sería mirando hacia lo muy pequeño y a velocidades pequeñas. Se conoce como Mecánica Cuántica no Relativista. Todos los postulados de esta mecánica cuántica fueron establecidos en la interpretación de Copenhague por Niels Bohr Max Born y Werner Heisemberg entre otros. Para dar una visión coherente de la mecánica cuántica. La teoría cuántica fue elaboración de muchas personas, trabajando conjuntamente. Y se dedica a describir sistemas como átomos, núcleos, moléculas, sólidos, etc..
También permitió la conjetura de la existencia de una tercera fuerza. Al descubrirse que los átomos estaban formados de protones y neutrones. No se entendía porqué no se repelían, siendo todos los protones partículas positivas, eso es así por la fuerza nuclear fuerte que no depende de la carga eléctrica. Tenemos ahora tres fuerzas distintas. La fuerza fuerte solo la manifiestan unas partículas llamadas Hadrones.

Mientras que la física cuántica fue creada por muchos científicos la teoría de la relatividad, que abre paso a la física relativista fue creada por una sola persona Albert Einstein. En la teoría de la relatividad tenemos que distinguir dos teorías, la teoría de la relatividad especial o restringida y la teoría de la relatividad general.
La teoría de la relatividad especial está restringida a sistemas inerciales, esto es a sistemas que se mueven con velocidad constante y cuya aceleración es nula. Ya deja de ser el espacio y tiempo absoluto, nos movemos en un espacio y tiempo relativo pero podemos determinar con total exactitud los valores de las diferentes variables físicas. También deja de manifiesto que el único valor fijo en el universo es la velocidad de la luz, constente e insuperable por ningún cuerpo y además la masa, pasa a ser una forma más de energía, cualquier partícula con masa es pura energía.
Por otro lado tenemos la teoría de la relatividad general, en esta teoría los sistemas de referencia se encuentran acelerados. Esta teoría defiende que la gravedad no existe y lo que sucede es que las masas curvan el espacio tiempo, generando una aceleración hacia el objeto más masivo. De esta teoría tenemos la ecuación de Einstein que nos da los diferentes modelos de universos. Podríamos restringir esta parte de la teoría a los objetos más masivos y distancias enormes. Es decir a la astrofísica, experimentalmente en Astrofísica se comprueba la validad de la teoría diariamente.


Y, ¿Pensabais que estas dos disciplinas de la física no tenían relación?, ¡Claro que si!, tenemos la mecánica cuántica de campos, o mejor dicho, la teoría cuántica relativista. Esta teoría es la utilizada en aceleradores de partículas, como en el CERN para chocando partículas descubrir sus propiedades más fundamentales.  Nos permitió conocer que había una cuarta fuerza, la fuerza nuclear débil, responsable de desintegraciones de núcleos.
A partir de esta teoría se confecciono el modelo Estándar, modelo completo de física de partículas, el cual predice con una antelación de muchos años está siendo verificado experimentalmente y aun no ha fallado.
También se ha descubierto que cada fuerza fundamental tiene su cuanto, es decir, la unidad mínima que transmite esa interacción por el espacio.
Las fuerzas son cuatro, las cuales pondré en orden de mayor a menor.
Nuclear fuerte, Electromagnetismo, Nuclear Débil, Gravitatoria.
Los cuantos serían, de la fuerte el gluón, de la electromagnética el fotón, de la nuclear Débil los bosones mediadores W y Z y finalmente de la gravitatoria el gravitón partícula teorizada pero no descubierta.
También se vio que los protones y los neutrones no son partículas puntuales y están formadas por Quarks.

Bueno, esto sería un enfoque global básico y muy de andar por casa de toda la física, se puede ampliar mucho más, meter más detalles incluso hacerlo un trabajo, pero creo que no es el fin del foro. Si tenéis alguna duda por favor preguntad, no se cuanto tardaré en responderos. Gracias por vuestro tiempo leyendo el artículo

[Orubatosu]

Y lo importante importante de verdad, para que se entienda

[youtube=640,360]https://www.youtube.com/watch?v=5ujOPFwX64I[/youtube]

Para quienes no sepan quien es este señor:

https://es.wikipedia.org/wiki/Richard_Feynman

Lo que dice en estos segundos, es mucho mas importante de lo que la mayoría de la gente cree

[Gh057]

Buen día, muy lindo artículo programatrix. Y gracias Orubatosu por el aporte, excelente las palabras de Feynman XD (amén que adoro desde pequeño su trabajo de tres tomos, Physics).

Muy interesante las referencias planteadas programatrix; para abrir las opiniones me quedo con el siguiente punto

Las fuerzas son cuatro, las cuales pondré en orden de mayor a menor.
Nuclear fuerte, Electromagnetismo, Nuclear Débil, Gravitatoria.

lo cual tengo entendido es muy llamativo lo débil de la fuerza gravitatoria... y si mal no he interpretado el concepto, hoy en día es también fuente de investigación; en donde una de las hipótesis es que solo sea observable una pequeña interacción de ella en nuestra dimensión o universo tal cual lo conocemos. (En referencia a la teoría de branas)

Muy interesante el concepto de cuanto plasmado por Plank, me es imposible hacer una analogía directa con los bits... es como estar mirando el código fuente del Cosmos. XD
Un cordial saludo.

[Orubatosu]

Gh057

Un apunte sobre las fuerzas... no es lo mismo "fuerza" o "potencia" que alcance.

La fuerza nuclear fuerte es la mas "fuerte" de todas, y la que menos alcance tiene. La gravedad es la mas débil de todas, pero la que mas alcance tiene.

[Gh057]

Si entiendo Orubastosu, quería indicar que justamente ese alcance es el que está en estudio, saludos!

[programatrix]

Gh057, en principio la fuerza gravitatoria tendría alcance infinito, igual que la fuerza electromagnética. El problema de las nuevas teorías, es que son teorías que no están demostradas. Aunque nos gustaría a todos tener una teoría de la gran unificación, aun estamos lejos de tenerla. Y las investigaciones se centran más en demostrar experimentalmente el modelo estandar y entender el origen del universo.

[El_Andaluz]

Esta bien resumido me ha gustado pero podría estar mas completo por lo menos a mi gusto de todas manera gracias por este aporte yo quería añadir algo mas si no te importa por ejemplo:

Las Fuerzas Fundamentales

Como hemos visto, el estudio de los componentes de la materia nos ha llevado también a introducir dos nuevas fuerzas en el campo de la Física. Hasta entonces, todo podía explicarse gracias al campo gravitatorio y al campo electromagnético, actualmente se consideran cuatro interacciones o fuerzas fundamentales, las cuales en orden descendente en intensidad son: fuerza nuclear fuerte, fuerza electromagnética, fuerza nuclear débil y fuerza gravitacional.

Para tener una idea de la magnitud relativa de estas fuerzas, supongamos que en una escala de intensidades, en la que la fuerza gravitatoria tuviese magnitud 1, la fuerza débil tendría un valor de 10+34 (un uno seguido de 34 ceros), la fuerza electromagnética tendría un valor de 10+37 (un uno seguido de 37 ceros) y la fuerza fuerte tendría un valor de 10+39 (un uno seguido de 39 ceros).

Igual que con las partículas, una fuerza es considerada como fundamental en función de lo que se conoce en ese momento. De esa manera puede entenderse cómo la unificación de las fuerzas eléctricas y magnéticas llevada a cabo por Maxwell redujo dos fuerzas (magnética y eléctrica) en una sola interacción: el campo electromagnético.

Para clarificar el ámbito de las fuerzas fundamentales mencionare el alcance de cada fuerza. La fuerza fuerte es la responsable de que los protones y los neutrones se mantengan unidos dentro del núcleo. Si no fuera por el dominio que ejerce la fuerza fuerte, la repulsión entre los protones haría inestable el núcleo; los protones se dispersarían y el núcleo no podría existir, por tanto su alcance es muy pequeño (10-15 m). La fuerza fuerte o nuclear fuerte tiene un rango de acción ligeramente menor que el tamaño del núcleo, esto es: actúa solo sobre las partículas más vecinas. La fuerza electromagnética afecta a todas las partículas que poseen carga eléctrica y su alcance es infinito, la constante de interacción de esta fuerza es un número adimensional denominado constante de la estructura fina (de valor aproximado 1/137). Por su lado, la fuerza débil o nuclear débil actúa entre partículas elementales y es responsable de algunas reacciones nucleares. Por ejemplo, en la desintegración radiactiva de los núcleos que provoca su escisión en varios fragmentos, además la fuerza nuclear débil es importante en la velocidad de reacción de algunas reacciones nucleares que ocurren en estrellas como el sol (de hecho la vida media del sol está determinada por las características de esta fuerza), y en todos los procesos de interacción entre los neutrinos y la materia. Es una fuerza de corto alcance, 10-16m. Por último la fuerza gravitatoria es universal, a ella se someten todas las partículas elementales sin excepción, sin embargo debido a su poca magnitud no juega un papel importante en el micromundo.

Cuando se empieza a hablar de las fuerzas fundamentales es obligado hablar también de su unificación.

Newton en 1686 mostró que la gravedad celeste y la terrestre podían considerarse dentro de una misma teoría: la gravitación universal. Ésta fue la primera unificación. Newton explico cómo se comportan los cuerpos ante la gravedad, pero fue Einstein el primero que propuso un modelo teórico para explicar el origen de la gravedad. En la teoría de la relatividad general, las partículas siguen trayectorias rectilíneas siempre, de tal manera que la gravedad o campo gravitatorio, según el cual las partículas masivas "tuercen" su trayectoria es una consecuencia de la deformación del espacio-tiempo causada por la masa.

Aunque fueron Faraday y Oersted los primeros que observaron la relación de los fenómenos eléctricos y magnéticos, fue Maxwell quien en 1864 le dio una estructura formal a lo que ahora se conoce como teoría electromagnética. Ésta fue la segunda unificación. Existe una interesante simetría en las ecuaciones de Maxwell la cual sugiere que el hecho de la existencia de cargas eléctricas, "obliga" también la existencia de cargas magnéticas, es decir la carga eléctrica es a la vez responsable de los campos eléctricos y los campos magnéticos. Hay incluso varias investigaciones documentadas relacionadas con la búsqueda de estas cargas magnéticas, las cuales se denominan "el monopolo magnético."

Alrededor de 1968, Weinberg y Salam trabajando independientemente, mostraron la conexión que subyace entre la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil. Esta tercer unificación dio lugar a la llamada fuerza electrodébil. Este enfoque se consiguió con la llamada Teoría Cuántica de Campos, que aplicada a las interacciones electromagnética y débil se denomina electrodinámica cuántica, en ella, tal y como se ha comentado anteriormente, se considera una interacción entre dos partículas como un intercambio de unas partículas especiales llamadas partículas o portadores de fuerza. Estas partículas de fuerza son bosones y podemos decir que la interacción electromagnética depende del intercambio de fotones, mientras que en la fuerza nuclear débil interviene el intercambio de dos tipos de bosones muy masivos llamados W y Z. Para la fuerza nuclear fuerte se postuló la existencia de una portador que actúa a un nivel más profundo, son los gluones, unos bosones que no tienen masa. La interacción fuerte queda así explicada con la teoría de la Cromodinámica Cuántica.

Debido a que la formulación de la Cromodinámica Cuántica y de la ElectroDinámica Cuántica es, en esencia la misma, parece plausible pensar que puede existir alguna unificación entre ambas, aunque de hecho aún no se ha encontrado.

De las cuatro fuerzas fundamentales, tenemos tres (que podrían ser dos si la unificación de la Teoría Cuántica de Campo y la Cromodinámica Cuántica se diera), de esta tres, aún no hemos podido saber si son la misma fuerza o tienen características diferentes. De ellas, la más complicada de introducir es la gravedad. Recordemos que el campo gravitatorio no se basa en el intercambio de partículas sino en la deformación del espaciotiempo; de todas maneras existen teorías cuánticas que pretenden unificar la gravedad postulando la partícula de intercambio, que aunque no está descubierta, se denominaría el gravitón.

Otra propuesta más a las unificaciones fue hecha en 1921 por un matemático alemán llamado Theodor Kaluza. Él mostró cómo, considerando 5 dimensiones, se puede obtener el electromagnetismo y la gravitación en una sola teoría. Al introducir las otras fuerzas fundamentales, la teoría no funciona correctamente, aunque existen estudios donde trabajando con más dimensiones se busca la ansiada unificación. Estas teorías no son teorías cuánticas al no introducir la idea de una interacción como un intercambio de partícula, en estas teorías las fuerzas se explican como una propiedad del espacio (tal y como sucede con la gravedad). Se denominan las teorías de las supercuerdas, que pretenden explicar toda la física mediante la introducción de unas diminutas cuerdas de materia muy densa, estas cuerdas son muy pequeñas, pues no tienen más de 10-35 m de largo. Todas las cuerdas son lazos donde los fermiones y los bosones, que son las partículas elementales asociadas a la materia y a las interacciones respectivamente, corresponden a ondas que viajan en la dirección de las manecillas del reloj para el caso de los fermiones y en dirección contraria en el caso de los bosones. En las teorías de supercuerdas; cada uno de los infinitos modos posibles de vibración, (armónicos y modos fundamentales de vibración), correspondería a una partícula diferente. Esto implica la existencia de un número infinito de partículas elementales. Todo esto es relativamente fácil de asimilar, ¡pero lo que no les he dicho es que estas cuerdas vibran en un espacio que tiene de 10 a 26 dimensiones!

La meta final de todas las unificaciones es encontrar una única fuerza que explique todas las interacciones que observamos en la naturaleza. Las teorías que describen el proceso de unificación de las fuerzas fundamentales se llaman 'teorías de supersimetrías. Pero hay que tener cuidado, ya que, como se ha dicho antes, una fuerza es considerada como fundamental según los conocimientos científicos existentes en ese momento.

[Gh057]

Y las investigaciones se centran más en demostrar experimentalmente el modelo estandar y entender el origen del universo.

Te refieres a los fermiones en sus posibles combinaciones, sumado a la interacción de los bosones, verdad? tengo entendido que los fermiones lo conforman tanto los quarks como la familia de los leptones, lo que no estoy seguro si estaban todos los quarks demostrados experimentalmente... (ya cuando los diferenciaron por gustos, le perdí el sentido... valga el juego de palabras! XD)

[Orubatosu]

Supongo que se refiere a la unificación de las diferentes fuerzas, como por ejemplo la electrodebil y su posterior unificación con otras fuerzas.

Mirando por ahí, para hacer "experimentos" para unificar la electrodebil con la nuclear fuerte se necesitarían energías del nivel de 10 ^14 GeV

Y eso es mucho, no quiero ni pensar en como saldría la factura de la luz

[programatrix]

El_Andaluz, quería que fuera un artículo global sobre toda la física, no divulgación sobre física de partículas. Está muy bien el artículo que has puesto, pero yo quería hacer uno de mi cosecha un poco en el plano global  

Gh057, tienes un poco mezclados los conceptos, se denomina bosones a las partículas que tienen un número de espín entero, estas pueden ser partículas de interacción los diferentes cuantos de las diferentes fuerzas o bien pueden ser una partícula común como una partícula alfa. O un nucleo con espín entero, por ejemplo el plomo. Estas partículas obedecen a la estadística de Bose Einsteín.
Por otro lado tenemos los fermiones, partículas con espín semientero, siguen el principio de exclusión de pauli y siguen la estadística de Fermi Dirac.

Luego, las partículas que forman la materia son los leptones y los bariones. Dentro de los leptones tenemos tres familias, los electrones, muhones y tauones, con sus correspondientes neutrinos, neutrinos electrónico, neutrino muónico y netrino tauónico. Todas ellas tienen sus correspondientes antipartículas.

Por otro lado están los hadrones, que de dividen en bariones y mesones. Los bariones serían los neutrones y protones pero hay muchísimos más. Y luego los mesones son los piones, aunque hay muchos más, los mesones son bosones. Los bariones están formadas por combinaciones de 3 quarks, y dependiendo de esa combinación se dicen que tienen un sabor. Luego por otro lado los mesones están formados por un quark y un antiquark.

Los quarks están demostrados experimentalmente, si bien no es una experimentación directa, mediante distintos experimentos y con razonamientos teóricos desde diferentes lugares se llega a la conclusión de su existencia y a dia de hoy están completamente demostrados, si no propiedades cuánticas de los Hadrones no tendrían sentido...

Orubatosu, de momento la máxima energía son 7 Tev, 7000 Gev, a los protones. Aun estamos muy lejos jaja, es dificil experimentalmente observar esa unificación directamente, asi que seguramente se demuestre experimentalmente a través de otros experimentos y otros derivados de esas teorías principales. Es como los Quarks, estos no se visualizan directamente, pero al chocar hadrones se verifica que es verdad por las propiedades de las partículas que obtenemos de los choques.
Esas energías no se pueden conseguir por métodos normales, se necesitan superconductores y para ello se necesita una refrigeración que permita operar al equipo a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Por ejemplo, la fusión nuclear es imposible de realizar con materiales normales, se necesita superconductores. En España tenemos en el Ciemat un prototipo de reactor de este tipo de investigación, el problmea es que al no usar superconductores no pueden mantener ningún proceso más alla de unos pocos segundos.