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

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

Los antiguos pensaban que estábamos compuestos de cuatro "elementos": agua, tierra, fuego y aire; que sabemos que no son elementos y ahora hay unos 118 elementos. Todos los elementos están formados por átomos que alguna vez se pensó que eran indivisibles, pero a principios del siglo XX, tras los descubrimientos de JJ Thompson y Rutherford, se sabía que los átomos estaban constituidos por núcleos (constituidos por protones y neutrones) en el centro y electrones en órbita alrededor. En la década de 1970, se sabía que los protones y neutrones tampoco son fundamentales, sino que están formados por 'quarks arriba' y 'quarks abajo', lo que hace que los 'electrones', 'quarks arriba' y 'quarks abajo' sean los tres componentes más fundamentales de todo. En el universo. Con los avances pioneros en la física cuántica, aprendimos que las partículas son derivadas, los haces o paquetes de energía en los campos que implican que las partículas no son fundamentales. Lo fundamental es el campo que las subyace. Ahora podemos decir que los campos cuánticos son los bloques de construcción fundamentales de todo en el universo (incluidos los sistemas biológicos avanzados como nosotros). 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 una afirmación sobre cómo el campo de electrones interactúa con el campo electromagnético. Y. la propiedad de su masa es el enunciado sobre cómo interactúa con el campo de Higgs.  

Desde la antigüedad, la gente se ha preguntado de qué estamos hechos. ¿De qué está compuesto el universo? ¿Cuáles son los bloques de construcción fundamentales de la naturaleza? Y, ¿cuáles son las leyes básicas de la naturaleza que gobiernan todo en el universo? El modelo estándar de ciencia es la teoría que responde a estas preguntas. Se dice que esta es la teoría científica exitosa jamás construida durante los últimos siglos, una sola teoría que explica la mayoría de las cosas del 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, por lo tanto, no son fundamentales, pero cada protón y neutrón está formado por tres partículas más pequeñas llamadas quarks que son de dos tipos: "quarks arriba" y "quarks abajo". (Los quarks “up quark” y “down quark” son simplemente quarks diferentes y no tienen relación con ninguna dirección o tiempo). Los protones se componen de dos "quarks arriba" y un "quark abajo", mientras que un neutrón se compone de dos "quarks abajo" y un "quark arriba". Por lo tanto, los electrones, los quarks ascendentes y los quarks descendentes son las tres partículas más fundamentales y los bloques de construcción de todo en el universo. Sin embargo, con los avances de la ciencia, esta comprensión también ha experimentado cambios. Los campos son fundamentales y no partículas, como se había previsto antes.   

Según la comprensión actual de la ciencia, todo en el universo está formado por entidades abstractas invisibles llamadas 'campos', y que representan los bloques de construcción fundamentales de la naturaleza. Un campo es algo que se extiende por todo el universo y adquiere 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 campos eléctricos o magnéticos, son reales y físicos y, por ejemplo, se evidencia por la fuerza que sentimos cuando dos imanes se acercan.  

La década de 1920 había sido testigo de cambios revolucionarios en nuestra comprensión del universo. La mecánica cuántica dice que, en lugar de ser continua, la energía siempre se divide en algunos bultos discretos. Por otro lado, se cree que los campos son continuos.  

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

La teoría cuántica de campos es la idea de combinar la mecánica cuántica con los campos. Según esto, el fluido de electrones, las ondas de las ondas de este fluido, se unen en pequeños haces de energía por las reglas de la mecánica cuántica, y esos haces de energía son lo que llamamos la partícula, el electrón. Los electrones no son fundamentales. Son las ondas del mismo campo subyacente. De manera similar, las ondas de los dos campos de quarks dan lugar al quark up y al quark down. Y lo mismo ocurre con todas las demás partículas del universo. Hay campos que subyacen a todo. Lo que pensamos como partículas no son realmente partículas, son ondas de estos campos atados en pequeños haces de energía. Los bloques de construcción fundamentales básicos de nuestro universo son estas sustancias similares a fluidos que llamamos campos. Las partículas son derivados de estos campos, por lo que no son fundamentales. En el vacío puro, cuando las partículas se eliminan por completo, todavía existen campos que se rigen por las reglas de la mecánica cuántica.   

Los tres campos cuánticos más básicos de la naturaleza son el electrón, el quark up y el quark down. Hay un cuarto llamado neutrino, sin embargo, no nos constituyen sino que juegan un papel importante en otras partes del universo. Los neutrinos están en todas partes, fluyen a través de todo en todas partes sin interactuar. Estos cuatro campos y sus partículas asociadas, a saber, el electrón, el quark up, el quark down y el neutrino forman la base del universo. Por razones desconocidas, estas cuatro partículas las reproducen dos veces. Los electrones reproducen muon y tau (que son 200 veces y 3000 veces más pesados ​​que los electrones respectivamente), los quarks up dan lugar a un quark extraño y un quark bottom, los quarks down dan lugar al quark charm y al quark top y el neutrino dan lugar al neutrino muon y al neutrino tau .  

Por lo tanto, hay 12 campos que dan materia, los llamamos campos de materia. A continuación se muestra la lista de 12 campos (campos de materia) que componen 12 partículas en el universo.  

electrón (e) 
arriba quark (u) 
quark abajo (d) 
neutrino (νe
10-6 
Muón (μ-
200 
extraño quark (s) 
200 
encanto quark (c) 
2000 
neutrino muón (νμ)  
10-6 
tau (τ-
3000 
quark de fondo (b) 
8000 
quark superior (t)  
340,000 
neutrino tau (ντ
10-6 

Estos 12 campos interactúan entre sí a través de cuatro fuerzas diferentes: gravedad, electromagnetismo, fuerzas nucleares fuertes (operan solo a pequeña escala de núcleo, mantienen los quarks juntos dentro de protones y neutrones) y fuerzas nucleares débiles (operan solo a pequeña escala de núcleo, responsable para la desintegración radiactiva e iniciar la fusión nuclear).  

Cada una de estas fuerzas está asociada a un campo: la fuerza electromagnética está asociada al campo de gluones, los campos asociados con fuerzas nucleares fuertes y débiles son el campo de bosones W y Z y el campo asociado a la gravedad es el espacio-tiempo mismo. A continuación se muestra la lista de otros cuatro campos 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 moverse hacia arriba y hacia abajo (porque hay un electrón allí), eso inicia uno de los otros campos, digamos campo electromagnético que, a su vez, también oscilan y ondulan. Habrá luz que se emite de modo que oscile un poco. En algún momento, comenzará a interactuar con el campo de quarks, que a su vez, oscilará y ondulará. La imagen final con la que terminamos es la danza armoniosa entre todos estos campos, entrelazados entre sí.  

Campo de Higgs: Descubrimiento en 2012  

En la década de 1960, Peter Higgs predijo otro campo. Llamado campo de Higgs, se convirtió en parte integral de nuestra comprensión del universo en la década de 1970. Pero no hubo evidencia experimental (lo que significa que si hacemos que el campo de Higgs se ondule, deberíamos ver la partícula asociada) hasta 2012, cuando los investigadores del CERN en el LHC informaron su descubrimiento. La partícula se comportó exactamente de la manera predicha por el modelo. La partícula de Higgs tiene una vida muy corta, de aproximadamente 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.  

Por ejemplo, la propiedad que llamamos carga eléctrica de un electrón es una afirmación sobre cómo el campo de electrones interactúa con el campo electromagnético. La propiedad de su masa es el enunciado sobre cómo interactúa con el campo de Higgs. Por lo tanto, era realmente necesario comprender el campo de Higgs para que pudiéramos comprender el significado de la masa en el universo. El descubrimiento del campo de Higgs también fue la confirmación del Modelo Estándar que estaba en vigor desde la década de 1970, aunque esta confirmación tardó unos 50 años. 

Para concluir, es la interacción de los campos presentes en el universo la que da lugar a propiedades como la masa, la carga, etc. de las diferentes partículas que experimentamos. 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 que tienen relación con el modelo estándar. Continúa la búsqueda de respuestas para las limitaciones del modelo estándar.

*** 

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 Prasadhttps://www.UmeshPrasad.org
Editor jefe, Scientific European

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