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¿De qué estamos hechos en última instancia? ¿Cuáles son los bloques de construcción fundamentales del universo?

Los antiguos pensaban que estábamos hechos de cuatro 'elementos': agua, tierra, fuego y aire; que ahora sabemos que no son elementos. Actualmente, hay unos 118 elementos. Todos los elementos están formados por átomos que alguna vez se pensó que eran indivisibles. A principios del siglo XX, tras los descubrimientos de JJ Thompson y Rutherford, se sabía que los átomos estaban constituidos por núcleos (hechos de protones y neutrones) en el centro y electrones en órbita alrededor. En la década de 1970, se sabía que los protones y los neutrones tampoco son fundamentales, sino que están formados por "quarks arriba" y "quarks abajo", lo que hace que los "electrones", los "quarks arriba" y los "quarks abajo" sean los tres constituyentes más fundamentales de todo. En el universo. Con los avances pioneros en la física cuántica, aprendimos que las partículas son en realidad derivadas, los haces o paquetes de energía en los campos que implican que las partículas no son fundamentales. Lo fundamental es el campo que les subyace. Ahora podemos decir que los campos cuánticos son los componentes básicos de todo en el universo (incluidos los sistemas biológicos avanzados como el nuestro). Todos estamos hechos de campos cuánticos. Las propiedades de las partículas, como la carga eléctrica y la masa, son afirmaciones sobre cómo interactúan sus campos con otros campos. Por ejemplo, la propiedad que llamamos carga eléctrica de un electrón es un enunciado sobre cómo interactúa el campo de electrones con el campo electromagnético. Y. la propiedad de su masa es la declaración sobre cómo interactúa con el campo de Higgs.  

Desde la antigüedad, la gente se ha preguntado ¿de qué estamos hechos? ¿De qué está hecho el universo? ¿Cuáles son los componentes básicos de la naturaleza? Y, ¿cuáles son las leyes básicas de la naturaleza que gobiernan todo en el universo? Modelo estandar de la ciencia es la teoría que responde a estas preguntas. Se dice que esta es la exitosa teoría de la ciencia jamás construida en los últimos siglos, una sola teoría que explica la mayoría de las cosas en el universo.  

La gente supo temprano que estamos hechos de elementos. Cada elemento, a su vez, está formado por átomos. Inicialmente, se pensó que los átomos eran indivisibles. Sin embargo, en 1897 JJ Thompson descubrió electrones usando descargas eléctricas a través de un tubo de rayos catódicos. Poco después, en 1908, su sucesor Rutherford demostró a través de su famoso experimento de lámina de oro que un átomo tiene un pequeño núcleo cargado positivamente en el centro alrededor del cual giran en órbitas electrones cargados negativamente. Posteriormente, se encontró que los núcleos están formados por protones y neutrones.  

En la década de 1970, se descubrió que los neutrones y los protones no son indivisibles y, por lo tanto, no son fundamentales, pero cada protón y neutrón están formados por tres partículas más pequeñas llamadas quarks, que son de dos tipos: "quarks arriba" y "quarks abajo" (" up quark" y "down quark" son simplemente quarks diferentes. Los términos 'arriba' y 'abajo' no implican ninguna relación con la dirección o el tiempo). Los protones están formados por dos "quarks arriba" y un "quark abajo", mientras que un neutrón está formado por dos "quarks abajo" y un "quark arriba". Por lo tanto, "electrones", "up quarks" y "down quarks" son las tres partículas más fundamentales que son los componentes básicos de todo en el universo. Sin embargo, con los avances en la ciencia, esta comprensión también ha experimentado cambios. Se encuentra que los campos son fundamentales y no partículas.  

Las partículas no son fundamentales. Lo fundamental es el campo que las subyace. Todos estamos hechos de campos cuánticos.

Según la comprensión actual de la ciencia, todo en el universo está formado por entidades abstractas invisibles llamadas "campos" que representan los componentes básicos de la naturaleza. Un campo es algo que se extiende por todo el universo y toma un valor particular en cada punto del espacio que puede cambiar con el tiempo. Es como ondas de fluido que se balancean por todo el universo, por ejemplo, los campos magnéticos y eléctricos se extienden por todo el universo. Aunque no podemos ver los campos eléctricos o magnéticos, son reales y físicos, como lo demuestra la fuerza que sentimos cuando se acercan dos imanes. De acuerdo con la mecánica cuántica, se cree que los campos son continuos, a diferencia de la energía, que siempre se empaqueta en grumos discretos.

La teoría cuántica de campos es la idea de combinar la mecánica cuántica con los campos. De acuerdo con esto, el fluido de electrones (es decir, las ondas de las ondas de este fluido) se unen en pequeños paquetes de energía. Estos paquetes de energía son lo que llamamos electrones. Por lo tanto, los electrones no son fundamentales. Son las ondas de un mismo campo subyacente. De manera similar, las ondas de los dos campos de quarks dan lugar a "quarks arriba" y "quarks abajo". Y lo mismo ocurre con todas las demás partículas del universo. Los campos subyacen a todo. Lo que consideramos partículas son en realidad ondas de los campos unidos en pequeños paquetes de energía. Los componentes básicos fundamentales de nuestro universo son estas sustancias fluidas que llamamos campos. Las partículas son simplemente derivados de estos campos. En el vacío puro, cuando las partículas se eliminan por completo, todavía existen campos.   

Los tres campos cuánticos más básicos en la naturaleza son "electrón", "up quark" y "down quark". Hay un cuarto llamado neutrino, sin embargo, no nos constituyen, pero juegan un papel importante en otras partes del universo. Los neutrinos están en todas partes, atraviesan todo en todas partes sin interactuar.

Campos de materia: Los cuatro campos cuánticos básicos y sus partículas asociadas (a saber, "electrón", "quark arriba", "quark abajo" y "neutrino") forman la base del universo. Por razones desconocidas, estas cuatro partículas fundamentales se reproducen dos veces. Los electrones reproducen “muones” y “tau” (que son 200 y 3000 veces más pesados ​​que los electrones respectivamente); los quarks arriba dan lugar al “quark extraño” y al “quark inferior”; los quarks down dan lugar al “quark charm” y al “quark top”; mientras que el neutrino da lugar al “neutrino muón” y al “neutrino tau”.  

Así, existen 12 campos que dan lugar a partículas, los llamamos campos de materia.

A continuación se muestra la lista de 12 campos de materia que componen 12 partículas en el universo.  

Campos de fuerza: Los 12 campos de materia interactúan entre sí a través de cuatro fuerzas diferentes: gravedad, electromagnetismo, fuerzas nucleares fuertes (operar solo a pequeña escala del núcleo, mantener los quarks juntos dentro de protones y neutrones) y fuerzas nucleares débiles (operar solo a pequeña escala del núcleo, responsable de la desintegración radiactiva e iniciar la fusión nuclear). Cada una de estas fuerzas está asociada a un campo: la fuerza electromagnética está asociada a campo de gluones, los campos asociados con fuerzas nucleares fuertes y débiles son Campo de bosones W y Z y el campo asociado a la gravedad es tiempo espacial misma.

A continuación se muestra la lista de cuatro campos de fuerza asociados con cuatro fuerzas.    

fuerza electromagnetica  campo de gluones 
Fuerzas nucleares fuertes y débiles campo bosón w & z 
gravedad  tiempo espacial  

El universo está lleno de estos 16 campos (12 campos de materia más 4 campos asociados con cuatro fuerzas). Estos campos interactúan juntos de manera armoniosa. Por ejemplo, cuando el campo de electrones (uno de los campos de materia), comienza a ondear hacia arriba y hacia abajo (porque hay un electrón allí), eso inicia uno de los otros campos, digamos un campo electromagnético que, a su vez, también oscilar y ondular. Habrá luz que se emite de modo que oscilará un poco. En algún momento, comenzará a interactuar con el campo de quarks, que a su vez oscilará y se ondulará. La imagen final con la que terminamos es la danza armoniosa entre todos estos campos, entrelazados entre sí.  

campo de higgs

En la década de 1960, Peter Higgs predijo otro campo. En la década de 1970, esto se convirtió en parte integral de nuestra comprensión del universo. Pero no hubo evidencia experimental (es decir, si hacemos ondular el campo de Higgs, deberíamos ver una partícula asociada) hasta 2012, cuando los investigadores del CERN en el LHC informaron sobre su descubrimiento. La partícula se comportó exactamente de la manera predicha por el modelo. La partícula de Higgs tiene una vida muy corta, de unos 10-22 segundos.  

Este fue el bloque de construcción final del universo. Este descubrimiento fue importante porque este campo es responsable de lo que llamamos masa en el universo.  

Las propiedades de las partículas (como la carga eléctrica y la masa) son afirmaciones sobre cómo interactúan sus campos con otros campos.  

Es la interacción de los campos presentes en el universo lo que da lugar a propiedades como la masa, la carga, etc. de las diferentes partículas que experimentamos. Por ejemplo, la propiedad que llamamos carga eléctrica de un electrón es un enunciado sobre cómo interactúa el campo de electrones con el campo electromagnético. De manera similar, la propiedad de su masa es la declaración sobre cómo interactúa con el campo de Higgs.

Realmente se necesitaba una comprensión del campo de Higgs para que comprendiéramos el significado de la masa en el universo. El descubrimiento del campo de Higgs también fue la confirmación del modelo estándar que estuvo vigente desde la década de 1970.

Los campos cuánticos y la física de partículas son campos de estudio dinámicos. Desde el descubrimiento del campo de Higgs, se han producido varios desarrollos relacionados con el modelo estándar. La búsqueda de respuestas a las limitaciones del modelo estándar continúa.

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Fuentes:  

The Royal Institution 2017. Quantum Fields: The Real Building Blocks of the Universe - con David Tong. Disponible en línea en https://www.youtube.com/watch?v=zNVQfWC_evg  

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Periodista científico | Editor fundador de la revista Scientific European

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