Las cuatro Leyes Universales que gobiernan la materia


Se denomina ley universal a cada una de las clases de interacciones​ entre las partículas subatómicas, las cuales se denominan; gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.

La primera incluye las interacciones que mantienen los núcleos atómicos unidos, la interacción de los nucleones con los mesones pi y la producción de partículas extrañas. En general abarcan las interacciones entre hadrones​ y protones.

Las interacciones electromagnéticas tienen lugar entre partículas cargadas, actuando tanto en cuerpos en reposo respecto al observador (interacción electrostática), como en movimiento (interacción magnética).

Las interacciones débiles son responsables de la desintegración beta, decaimiento pi mu y decaimiento mu electrón.

Las interacciones de gravedad son tan débiles a escalas nucleares que son despreciables en los experimentos actuales.

Las teorías de campo gauge explican tanto las partículas fundamentales como sus interacciones. Las primeras, explicadas como campos cuánticos relativistas, son representaciones de ciertos operadores de carga que se corresponden con la carga gravitacional, spin, carga eléctrica y demás, mientras que las fuerzas fundamentales son las fuerzas de atracción y repulsión entre estas cargas.

Casi toda la historia de la física moderna se ha centrado en la unificación de estas interacciones y hasta ahora la interacción débil y la electromagnética se han podido unificar en el marco teórico conocido como «modelo electrodébil». Por su parte, la unificación de la interacción fuerte con dicho modelo electrodébil es el motivo de toda la teoría de la gran unificación. Y finalmente, la «teoría del todo» conciliaría aquella con la interacción gravitatoria.

Gravitatoria

La interacción gravitatoria es la más conocida de las interacciones, y al mismo tiempo la que plantea mayores problemas teóricos. Es muy débil y afecta a todas las partículas, e incluso a las partículas sin masa como el fotón, a causa de que a grandes distancias, por su efecto acumulativo con la masa, tiene mayor efecto que las demás interacciones. Junto al electromagnetismo, son las interacciones que actúan a grandes distancias y contrariamente al electromagnetismo, solo tiene carácter atractivo. A distancias atómicas, y en comparación con el resto de las interacciones, es la más débil de todas las fuerzas.

La interacción gravitatoria hace que cualquier tipo de materia provista de energía interaccione entre sí. Para formas de materia ordinaria cuyo tensor energía-impulso satisface ciertas condiciones de positividad, tendrá un carácter de atracción. La teoría general de la relatividad estudia el comportamiento de esta interacción a escala planetaria y supragaláctica describiéndola como una curvatura del espacio-tiempo. En otras palabras, la interacción gravitatoria es una manifestación de la deformación que sufre el espacio-tiempo por la presencia de grandes masas. La teoría newtoniana de la gravitación es una aproximación no relativista a la interacción gravitatoria.

Según la hipótesis del modelo estándar, la interacción gravitatoria es transmitida por el gravitón. Cabe indicar que la teoría de la gravitación, en su formulación actual, no es una interacción que sea muy consistente con la descripción usual de la física de partículas. Sin embargo, debido a que la gravitación es solo perceptible en distancias muy por encima del radio atómico, esto permite en la práctica usar ambas teorías simultáneamente sin encontrar conflicto, en la mayoría de situaciones prácticas.

Electromagnética

La interacción electromagnética es la interacción que actúa entre partículas con carga eléctrica. Este fenómeno incluye a la fuerza electrostática, que actúa entre cargas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas eléctrica y magnética que actúan entre cargas que se mueven una respecto a la otra.

El campo electromagnético también tiene un alcance infinito, y como es mucho más fuerte que la gravedad, describe casi todos los fenómenos de nuestra experiencia cotidiana. Estos van desde el rayo láser y la radio, a la estructura atómica y a fenómenos tales como la fricción y el arco iris.

Los fenómenos eléctricos y magnéticos han sido observados desde la antigüedad, pero fue a partir de 1800 cuando los científicos descubrieron que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos fundamentales de la misma interacción. En 1864, las ecuaciones de Maxwell habían unificado rigurosamente ambos fenómenos.

En 1905, la teoría de Einstein de la relatividad especial resolvió la cuestión de la constancia de la velocidad de la luz. También Einstein explicó el efecto fotoeléctrico al teorizar que la luz se transmitía también en forma de cuantos, que ahora llamamos fotones. A partir de 1927, Paul Dirac unifico la mecánica cuántica con la teoría relativista del electromagnetismo, la teoría de la electrodinámica cuántica, que se completó en la década de 1940.


Nuclear fuerte

La interacción nuclear fuerte, también conocida como interacción fuerte, es la interacción que permite unirse a los quarks para formar hadrones. La interacción electromagnética se da entre partículas cargadas eléctricamente, aquí las partículas también tienen carga, la carga de color.

A pesar de su fuerte intensidad, su efecto solo se aprecia a distancias muy cortas del orden del radio atómico. Según el modelo estándar, la partícula mediadora de esta fuerza es el gluón.​ La teoría que describe a esta interacción es la cromodinámica cuántica y fue propuesta por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross en la década de 1980.

Como resultado colateral de la interacción entre quarks, existe una manifestación de la fuerza nuclear fuerte, actuando dentro del núcleo atómico entre los protones y neutrones; Debido a la carga positiva de los protones, para que estos se encuentren estables en el núcleo, debía existir una fuerza más fuerte que la integración electromagnética para retenerlos.

Ahora sabemos que la verdadera causa de que los protones y neutrones no se desestabilicen es la llamada "interacción fuerte residual". Esta interacción entre nucleones (protones y neutrones) se produce a través de parejas de quark-antiquark en forma de piones.

Nuclear débil

La interacción nuclear débil, también conocida como interacción débil, se acopla a un tipo de carga llamada sabor, que la poseen los quarks y los leptones. Esta interacción es la causante de los cambios de sabor en estas partículas, en otras palabras es la responsable de que los quarks y leptones decaigan en partículas más livianas, además es la que produce desintegraciones beta.

La teoría de Glashow-Weinberg-Salam estudia la interacción débil y la electrodinámica cuántica de manera unificada en lo que se denomina «modelo electrodébil».

Según el modelo estándar, la interacción débil es mediada por los bosones W y Z que son partículas muy masivas. Su intensidad es menor que la intensidad de la electromagnética y su alcance es menor que el de la nuclear fuerte. Al igual que la nuclear fuerte y la gravitatoria, la nuclear débil es una fuerza únicamente atractiva.

Interacciones en el Modelo Estándar

Las interacciones electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil se estudian en un marco común de teorías gauge cuánticas, llamado modelo estándar. El objetivo de la física teórica es llegar a describir las cuatro interacciones como aspectos de una única fuerza. El problema surge al cuantizar la gravedad, que resulta ser una teoría no renormalizable. Esta anomalía se arregla teóricamente en modelos con más dimensiones espaciales, como las teorías de cuerdas, aunque no se da por un hecho la validez de estas teorías dado que no hemos podido acceder experimentalmente a comprobarlas.

Según el modelo estándar de la física de partículas, la interacción electromagnética y la nuclear débil son manifestaciones a energías ordinarias de una única interacción, la interacción electrodébil. El proceso por el cual esta única interacción se separa en dos distintas se denomina ruptura de simetría electrodébil.

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