Teoría del campo unificado
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En física, la teoría unificada de campos es un intento de unificar todas las fuerzas fundamentales y las interacciones entre las partículas elementales en una única teoría. Este término lo introdujo Einstein cuando intentó reconciliar la teoría general de la relatividad con el electromagnetismo en una teoría de campos unificada. Su búsqueda fue infructuosa y la teoría unificada de campos ha permanecido desde entonces como uno de los retos aún pendientes de los físicos, una teoría que explicaría la naturaleza y el comportamiento de toda la materia.
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[editar] Introducción
En física, las fuerzas entre los objetos pueden describirse por los efectos de los campos. Las teorías actuales consideran que para distancias subatómicas , estos campos se reemplazan por campos cuánticos interaccionando según las leyes de la mecánica cuántica. Alternativamente, usando la dualidad onda-corpúsculo de la mecánica cuántica, los campos pueden describirse en términos de intercambio de partículas que transfieren el momento y la energía entre los objetos. De esta forma, los objetos interaccionan cuando emiten y absorben las partículas intercambiadas. La base fundamental de la teoría unificada de campos es que las cuatro fuerzas fundamentales (abajo) al igual que la matería son simplemente manifestaciones diferentes de un único campo fundamental.
La teoría unificada de campos trata de reconciliar las cuatro fuerzas fundamentales (o campos) de la naturaleza (del más fuerte al más débil):
- Fuerza nuclear fuerte: fuerza responsable de la unión de los quarks para formar neutrones y protones, y de la unión de estos para formar el núcleo atómico. Las partículas de intercambio que median esta fuerza son los gluones.
- Fuerza nuclear débil: responsable de la radioactividad, es una interacción repulsiva de corto alcance que actúa sobre los electrones, neutrinos y los quarks. Los bosones W y Z son los que median en esta fuerza.
- Fuerza electromagnética: es la fuerza, para nosotros familiar, que actúa sobre las partículas cargadas eléctricamente. El fotón es la partícula de intercambio para esta fuerza.
- Fuerza gravitacional: Una fuerza atractiva de largo alcance que actúa sobre todas las partículas con masa. Se postula que hay una partícula de intercambio que se ha llamado gravitón.
[editar] Historia
Históricamente, la primera teoría unificada de campos fue desarrollada por James Clerk Maxwell. En 1831, Michael Faraday observó que la variación en el tiempo de los campos magnéticos podía inducir corrientes eléctricas. Hasta entonces, la electricidad y el magnetismo se consideraban como fenómenos no relacionados entre sí. En 1864, Maxwell publicó su famosa teoría de campos electromagnéticos. Este fue el primer ejemplo de una teoría que podía unificar teorías anteriores (electricidad y magnetismo) dando lugar al electromagnetismo. No obstante, hoy se sabe que la electrodinámica clásica desarrollada por Maxwell falla a niveles cuánticos. En los 1940s se alcanzó una teoría cuántica completa para describir la fuerza electromagnética, conocida como electrodinámica cuántica (QED). Esta teoría representa las interacciones de las partículas cargadas mediante fotones, las partículas que transmiten la interacción. Esta teoría se basa en la simetría del espacio-tiempo de un campo llamada simetría gauge (realmente simetría de fase). La teoría tuvo tanto éxito que rápidamente se adoptó el principio de la simetría gauge continua para todas las fuerzas.
En 1967, Sheldon Glashow y Steven Weinberg y un pakistaní Abdus Salam propusieron de manera independiente una teoría unificadora del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil. Demostraron que el campo gauge de la interaccion débil era idéntico en su estructura al del campo electromagnético. Esta teoría recibió soporte experimental por el descubrimiento en 1983, de tales bosones W y Z en el CERN por el equipo de Carlo Rubbia. Por sus descubrimientos, Glashow, Weinberg y Salam compartieron el Premio Nobel de Física en 1979. Carlo Rubbia y Simon van der Meer recibieron el mismo premio en 1984.
El siguiente paso hacia la unificación de las fuerzas fundamentales de la naturaleza fue el incluir la interacción fuerte con las fuerzas electrodébiles en una teoría llamada Gran Teoría Unificada. Una teoría cuántica de la interacción fuerte fue desarrollada en los 1970s bajo el nombre de cromodinámica cuántica. La interacción fuerte actúa entre quarks mediante el intercambio de partículas llamadas gluones. Hay ocho tipos de gluones, cada uno transportando una carga de color y una carga de anti-color. Basándose en esta teoría, Sheldon Glashow y Howard Georgi propusieron la primera gran teoría unificada en 1974, que se aplicaba a energías por encima de 1000 GeV. Desde entonces ha habido nuevas propuestas, aunque ninguna está aceptada en la actualidad de manera universal. El mayor problema de estas teorías es la enorme escala de energías que requieren las pruebas experimentales, que están fuera del alcance de los aceleradores actuales. Sin embargo, hay algunas predicciones que se han hecho para procesos de bajas energías que no requieren los aceleradores. Una de estas predicciones es que el proton es inestable y puede decaer. Por el momento, se desconoce si el proton decae, aunque los experimentos han determinado un límite inferior para su vida media de 1035 años. Por ello, por el momento es incierto el que esta teoría sea una descripción adecuada de la materia.
La gravedad está aún por ser incluida en la teoría del todo. Los físicos teóricos han sido incapaces hasta ahora de formular una teoría consistente que combine la relatividad general y la mecánica cuántica. Las dos teorías han mostrado ser incompatibles y la cuantización de la gravedad continúa siendo un serio problema en el campo de la física. En los años recientes, la búsqueda por una teoría de campo unificada se ha focalizado en la teoría de cuerdas (string theory en inglés).
[editar] Unificaciones en física
- electricidad + magnetismo = electromagnetismo (gracias a Maxwell (1860s))
- electromagnetismo + interacción débil = interacción electrodébil (gracias a Glashow, Salam y Weinberg (1960s))
- interacción débil + interacción fuerte = gran teoría unificada (aun por verificar)
- gran teoría unificada + relatividad general = teoría de campos unificada (aun por desarrollar)
[editar] Reduccionismo
Hay un gran debate sobre el valor intrinseco de buscar una teoría de campos unificada. Además del argumento que tal teoría no exista, algunos han argumentado que si se encontrase tal teoría final, esto es el origen ultimo de la materia, con ello no se resolvería el misterio del universo. Este es el punto de vista en el cual la comprensión última de las partículas no da un conocimiento completo del comportamiento de los átomos y moléculas o de cualquier estructura de alto nivel. Algunos físicos (por ejemplo P.W. Anderson) argumentan que las grandes estructures poseen conductas collectivas que no se describen en términos de la conducta de sus constituyentes y por lo tanto, no hay razón para considerar tales conductas de bajo nivel como más fundamentales.
