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¿Cuáles son las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza?

¿Cuáles son las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza?
Satisfacer
  1. ¿Te deprime la gravedad?
  2. Mantenlo junto con electromagnetismo
  3. Que las fuerzas nucleares te acompañen
  4. Comparación de fuerzas fundamentales
  5. Únete a las fuerzas fundamentales

¿Te deprime la gravedad?

Este chico está a punto de descubrir qué es la gravedad.

Steve Puetzer / Getty Images

La primera fuerza que aprendiste fue probablemente la gravedad. Cuando era niño, tenía que aprender a pararse y caminar. Cuando tropezó, inmediatamente sintió que la gravedad lo empujaba hacia el suelo. Además de causar problemas a los niños pequeños, la gravedad mantiene juntos a la luna, los planetas, el sol, las estrellas y las galaxias del universo en sus respectivas órbitas. Puede operar a distancias inmensas y tiene un alcance infinito.

Isaac Newton vio la gravedad como una atracción entre dos objetos que estaba directamente relacionada con sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. Su ley de gravedad permitió a la humanidad enviar astronautas a la luna y sondas robóticas al borde de nuestro sistema solar. Desde 1687 hasta principios del siglo XX, la idea de Newton de la gravedad como un “tira y afloja” entre dos objetos dominó la física.

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Pero un fenómeno que las teorías de Newton no lograron explicar fue la órbita particular de Mercurio. La órbita en sí parecía girar (también conocida como precesión). Esta observación ha frustrado a los astrónomos desde mediados de la década de 1800. En 1915, Albert Einstein se dio cuenta de que las leyes del movimiento y la gravedad de Newton no se aplicaban a objetos de gran gravedad o alta velocidad, como la velocidad de la luz.

En su teoría de la relatividad general, Albert Einstein imaginó la gravedad como una distorsión del espacio causada por la masa. Imagínese colocar una bola de boliche en el centro de una lámina de goma. La bola crea una depresión en la hoja (un sumidero gravitacional o un campo gravitacional). Si hace rodar una pelota hacia la pelota, caerá en depresión (será atraída por la pelota) e incluso puede rodear la pelota (órbita) antes de golpear. Dependiendo de la velocidad de la placa, puede salir de la depresión y pasar la bola, pero la depresión puede alterar la trayectoria de la placa. Los campos gravitacionales alrededor de objetos masivos como el sol hacen lo mismo. Einstein derivó la ley de la gravedad de Newton a partir de su propia teoría de la relatividad y demostró que las ideas de Newton eran un caso especial de relatividad, especialmente la aplicada a la gravedad débil y a bajas velocidades.

Al considerar los objetos masivos (Tierra, estrellas, galaxias), la gravedad parece ser la fuerza más poderosa. Sin embargo, cuando aplica la gravedad al nivel atómico, tiene poco efecto porque las masas de las partículas subatómicas son muy pequeñas. En este nivel, se degrada efectivamente a la fuerza más débil.

Echemos un vistazo al electromagnetismo, la próxima fuerza fundamental.

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Mantenlo junto con electromagnetismo

Vamos, todo el mundo sabe que los opuestos se atraen, incluida Paula Abdul.

Vamos, todo el mundo sabe que los opuestos se atraen, incluida Paula Abdul.

Don Farrall / Getty Images

Si te cepillas el cabello varias veces, puede levantarse y ser arrastrado hacia el cepillo. ¿Porque? El movimiento del cepillo transmite cargas eléctricas a cada cable y los cables individuales con carga idéntica se repelen entre sí. Asimismo, si coloca los polos idénticos de dos barras magnéticas, se repelerán entre sí. Pero coloque los polos opuestos de los imanes uno al lado del otro y los imanes se atraerán entre sí. Estos son ejemplos familiares de fuerza electromagnética; las cargas opuestas se atraen entre sí, mientras que las cargas similares se repelen entre sí.

Los científicos han estado estudiando el electromagnetismo desde el siglo XVIII, con varias contribuciones notables.

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  • En 1785, el famoso físico francés Charles Coulomb describió la fuerza de los objetos cargados eléctricamente como directamente proporcional a la amplitud de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias entre ellos. Como la gravedad, el electromagnetismo tiene un rango infinito.
  • En 1819, el físico danés Hans Christian Oersted descubrió que la electricidad y el magnetismo estaban estrechamente relacionados, lo que lo llevó a argumentar que una corriente eléctrica genera fuerza magnética.
  • El físico y químico británico Michael Faraday evaluó el electromagnetismo, mostrando que el magnetismo podría usarse para generar electricidad en 1839.
  • En la década de 1860, James Clerk Maxwell, el genio escocés de las matemáticas y la física, derivó ecuaciones que describían cómo se relacionaban la electricidad y el magnetismo.
  • Finalmente, el holandés Hendrik Lorentz calculó la fuerza que actúa sobre una partícula cargada en un campo electromagnético en 1892.

Cuando los científicos descubrieron la estructura del átomo a principios del siglo XX, descubrieron que las partículas subatómicas ejercen fuerzas electromagnéticas entre sí. Por ejemplo, los protones cargados positivamente podrían mantener a los electrones cargados negativamente en órbita alrededor del núcleo. Además, los electrones de un átomo atraen a los protones de los átomos vecinos para formar una fuerza electromagnética residual, lo que evita que se caiga de la silla.

Pero, ¿cómo funciona el electromagnetismo de distancia infinita en el mundo grande y de corto alcance a nivel atómico? Los físicos creen que los fotones transmiten fuerza electromagnética a grandes distancias. Pero tuvieron que idear teorías para reconciliar el electromagnetismo a nivel atómico, lo que llevó al campo de electrodinámica cuántica (QED) Según QED, los fotones transmiten fuerza electromagnética de forma macroscópica y microscópica; sin embargo, las partículas subatómicas intercambian fotones virtuales constantemente durante sus interacciones electromagnéticas.

Pero el electromagnetismo no puede explicar cómo el núcleo permanece cohesionado. Aquí es donde entran en juego las fuerzas nucleares.

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Que las fuerzas nucleares te acompañen

El Dr. Hideki Yukawa, a la derecha, recibe el Premio Nobel de Física en Estocolmo de manos del Príncipe Heredero Gustaf Adolf de Suecia el 10 de diciembre de 1949 por su postulación sobre el mesón.

El Dr. Hideki Yukawa, a la derecha, recibe el Premio Nobel de Física en Estocolmo de manos del Príncipe Heredero Gustaf Adolf de Suecia el 10 de diciembre de 1949 por su postulación sobre el mesón.

AP Photo / Getty Images

El núcleo de cualquier átomo está formado por protones cargados positivamente y neutrones neutros. El electromagnetismo nos dice que los protones deben repeler y el núcleo debe romperse. También sabemos que la gravedad no juega un papel en la escala subatómica, por lo que debe haber otra fuerza más fuerte que la gravedad y el electromagnetismo en el núcleo. Además, como no percibimos esta fuerza todos los días como lo hacemos con la gravedad y el electromagnetismo, tiene que operar en distancias muy cortas, digamos a escala atómica.

La fuerza que mantiene unido al núcleo se llama una fuerza poderosa, alternativamente llamado fuerza nuclear fuerte o interacción nuclear fuerte. En 1935, Hideki Yukawa modeló esta fuerza y ​​propuso que los protones que interactúan entre sí y con los neutrones intercambian una partícula llamada mesón – luego llamado a peatonal – transmitir el archivo de fuerza fuerte.

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En la década de 1950, los físicos construyeron aceleradores de partículas para explorar la estructura del núcleo. Cuando rompieron los átomos a gran velocidad, encontraron las piezas que predijo Yukawa. También encontraron que los protones y neutrones estaban formados por partículas más pequeñas llamadas cuarc. Por lo tanto, la gran fuerza mantuvo unidos a los quarks, lo que a su vez mantuvo unido el núcleo.

Otro fenomeno nuclear hay que explicarlo: desintegración radiactiva. En la emisión beta, un neutrón se desintegra en un protón, un antineutrino y un electrón (partícula beta). El electrón y el antineutrino se expulsan del núcleo. La fuerza responsable de esta descomposición y emisión debe ser diferente y más débil que la fuerza fuerte, por lo que su nombre es lamentable: el fuerza débil o fuerza nuclear débil o interacción nuclear débil.

Con el descubrimiento de los quarks, se descubrió que la fuerza débil es responsable de cambiar de un tipo de quark a otro mediante el intercambio de partículas llamadas bosones W y Z, descubiertas en 1983. Finalmente, la fuerza débil provoca la fusión nuclear. En el sol. y las estrellas son posibles porque permiten que se forme y se derrita el deuterio isotópico del hidrógeno.

Ahora que puede nombrar las cuatro fuerzas: gravedad, electromagnetismo, fuerza débil y fuerza fuerte, veremos cómo se comparan e interactúan entre sí.

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Comparación de fuerzas fundamentales

Áreas QED y cromodinámica cuántica, o QCD, el campo de la física que describe las interacciones entre partículas subatómicas y fuerzas nucleares, vemos que muchas fuerzas son transmitidas por objetos que intercambian partículas llamadas indicador de partículas o calibre de bosones. Estos objetos pueden ser quarks, protones, electrones, átomos, imanes o incluso planetas. Entonces, ¿cómo transmite la fuerza el intercambio de partículas? Considere dos patinadores sobre hielo a cierta distancia el uno del otro. Si uno de los patinadores lanza una pelota al otro, los patinadores se alejan. Las fuerzas funcionan de la misma manera.

Los físicos aislaron partículas de calibre para la mayoría de las fuerzas. Uso de fuerza fuerte piones y otra partícula llamada gluón. Usos débiles de la fuerza Bosones W y Z. Usos de la fuerza electromagnética fotones. Se cree que la gravedad es transmitida por una partícula llamada graviton; sin embargo, aún no se han encontrado los gravitones. Algunas de las partículas de calibre asociadas con las fuerzas nucleares tienen masa, mientras que otras no (electromagnetismo, gravedad). Dado que la fuerza electromagnética y la gravedad pueden operar a grandes distancias, como años luz, las partículas de su calibre deben poder viajar a la velocidad de la luz, quizás incluso más rápido para los gravitones. Los físicos no saben cómo se transmite la gravedad. Pero, según la teoría de la relatividad especial de Einstein, ningún objeto de masa puede viajar a la velocidad de la luz, por lo que tiene sentido que los fotones y los gravitones sean partículas de calibre sin masa. De hecho, los físicos han establecido firmemente que los fotones no tienen masa.

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¿Cuál es la fuerza más poderosa de todas? Sería la poderosa fuerza nuclear. Sin embargo, actúa solo a una corta distancia, del tamaño de un núcleo. La fuerza nuclear débil es una millonésima más que la fuerza nuclear fuerte y tiene un rango aún menor, menor que el diámetro de un protón. La fuerza electromagnética es aproximadamente un 0,7% más fuerte que la fuerza nuclear fuerte, pero tiene un rango infinito porque los fotones que transportan la fuerza electromagnética se mueven a la velocidad de la luz. Finalmente, la gravedad es la fuerza más débil alrededor de 6 x 10-29 veces el de la fuerza nuclear fuerte. La gravedad, sin embargo, tiene un rango infinito.

Los físicos actualmente persiguen la idea de que las cuatro fuerzas fundamentales pueden estar relacionadas y que surgieron de una sola fuerza al comienzo del universo. La idea no es nueva. En el pasado, pensábamos en la electricidad y el magnetismo como entidades separadas, pero el trabajo de Oersted, Faraday, Maxwell y otros ha demostrado que están relacionados. Las teorías que vinculan las fuerzas fundamentales y las partículas subatómicas se denominan apropiadamente grandes teorías unificadas. Más sobre ellos más tarde.

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Únete a las fuerzas fundamentales

El núcleo magnético del Gran Colisionador de Hadrones podría algún día combinar la fuerza fuerte con la fuerza electrodébil.

El núcleo magnético del Gran Colisionador de Hadrones podría algún día combinar la fuerza fuerte con la fuerza electrodébil.

Fabrice Coffrini / AFP / Getty Images

Por lo tanto, la ciencia nunca deja de trabajar con fuerzas fundamentales está lejos de terminar. El próximo desafío es construir una gran teoría unificada de las cuatro fuerzas, una tarea particularmente difícil, ya que los científicos luchan por reconciliar las teorías de la gravedad con las de la mecánica cuántica.

Aquí es donde los aceleradores de partículas son útiles, que pueden inducir colisiones con energías más altas. En 1963, los físicos Sheldon Glashow, Abdul Salam y Steve Weinberg sugirieron que la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética podrían combinarse con energías superiores en lo que se llamaría fuerza electrodébil. Ellos predijeron que esto ocurriría a una energía de alrededor de 100 gigaelectrones voltios (100 GeV) oa una temperatura de 1015 K, que ocurrió justo después del Big Bang. En 1983, los físicos alcanzaron estas temperaturas en un acelerador de partículas y demostraron que la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil estaban relacionadas.

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Las teorías predicen que la fuerza fuerte se unirá a la fuerza electrodébil a energías superiores a 1015 GeV y que todas las fuerzas pueden unirse a energías superiores a 1019 GeV. Estas energías se acercan a la temperatura en la primera parte del Big Bang. Los físicos están trabajando para construir aceleradores de partículas que puedan alcanzar estas temperaturas. El acelerador de partículas más grande es el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Ginebra, Suiza. Cuando esté en línea, podrá acelerar protones hasta el 99,99% de la velocidad de la luz y alcanzar energías de colisión de 14 teraelectrones voltios o 14 TeV, lo que equivale a 14.000 GeV o 1,4 x 10.4 GeV.

Si los físicos pueden demostrar que las cuatro fuerzas fundamentales vinieron de una sola fuerza unificada cuando el universo se enfrió debido al Big Bang, ¿cambiará eso su vida diaria? Probablemente no. Sin embargo, mejorará nuestra comprensión de la naturaleza de las fuerzas, así como los orígenes y el destino del universo.

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El chico inteligente con el cabello rebelde detrás de la primera fuerza de la que hablaremos

El chico inteligente con el cabello rebelde detrás de la primera fuerza de la que hablaremos

Prensa central / Stringer / Hulton Archive / Getty Images

Cuando se sienta frente a su computadora leyendo este artículo, es posible que no se dé cuenta de las muchas fuerzas que actúan sobre usted. UNA Obligatorio se define como un empujón o un tirón que altera el estado de movimiento de un objeto o hace que el objeto se deforme. Newton definió una fuerza como cualquier cosa que haga que un objeto se acelere – F = ma, donde F. es fuerza metro es la masa y una es aceleración.

La fuerza de la familia de gravedad te empuja hacia abajo en tu lugar, hacia el centro de la Tierra. Sientes que es tu peso. ¿Por qué no te caes de la silla? Bueno, otra fortaleza electromagnetismo, mantiene los átomos juntos en su lugar, evitando que sus átomos se entrometan en los que están en su lugar. Las interacciones electromagnéticas en la pantalla de la computadora también son responsables de generar luz que permite leer la pantalla.

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La gravedad y el electromagnetismo son solo dos de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, especialmente dos que puedes observar todos los días. ¿Cuáles son los otros dos y cómo te afectan si no los ves?

Las dos fuerzas restantes actúan a nivel atómico, que nunca hemos experimentado, aunque están formadas por átomos. La una fuerza poderosa mantiene el núcleo unido. Finalmente, el fuerza débil es responsable de la desintegración radiactiva, específicamente la desintegración beta en la que un neutrón en el núcleo se convierte en un protón y un electrón, que es expulsado del núcleo.

Sin estas fuerzas fundamentales, y toda la materia del universo colapsaría y se alejaría flotando. Echamos un vistazo a cada fortaleza fundamental, qué hace cada una, cómo se descubrió y cómo se relaciona con las demás.

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