La física de
partículas es la rama de la física que estudia los componentes elementales
de la materia y las interacciones entre ellos.
Las partículas
fundamentales se subdividen en bosones (partículas de espín entero, como por
ejemplo 0, 1, 2...), que son las responsables de transmitir las fuerzas
fundamentales de la naturaleza, y fermiones (partículas de espín semientero,
como por ejemplo 1/2 o 3/2).
El espín (del inglés spin 'giro, girar')
o momento angular intrínseco se refiere a una propiedad física de las
partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tiene un momento
angular intrínseco de valor fijo. Se trata de una propiedad intrínseca de la
partícula como lo es la masa o la carga eléctrica.
El momento
angular o momento cinético
es una magnitud física importante en todas las teorías físicas de la mecánica,
desde la mecánica clásica a la mecánica cuántica, pasando por la mecánica
relativista. Su importancia en todas ellas se debe a que está relacionada con
las simetrías rotacionales de los sistemas físicos. Bajo ciertas condiciones de
simetría rotacional de los sistemas es una magnitud que se mantiene constante
con el tiempo a medida que el sistema evoluciona, lo cual da lugar a una ley de
conservación conocida como ley de
conservación del momento angular. El momento angular para un cuerpo
rígido que rota respecto a un eje, es la resistencia que ofrece dicho cuerpo a
la variación de la velocidad angular. En el Sistema Internacional de Unidades
el momento angular se mide en kg·m²/s.
Esta magnitud desempeña respecto a las rotaciones un
papel análogo al momento lineal en las traslaciones. Sin embargo, eso no
implica que sea una magnitud exclusiva de las rotaciones; por ejemplo, el
momento angular de una partícula que se mueve libremente con velocidad
constante (en módulo y dirección) también se conserva.
Se conoce a esta
rama también como física de altas energías, debido a que muchas de las
partículas se las puede ver sólo en grandes colisiones provocadas en los
aceleradores de partículas.
Los físicos de
partículas se han esforzado desde un principio por clasificar las partículas
conocidas y por describir toda la materia y sus interacciones. A lo largo de la
historia de la física han existido muchas partículas que en su momento se han
definido como indivisibles, tales como los protones y neutrones, que más
adelante se ha demostrado que si lo son. Después de diferentes teorías atómicas
y nucleares, en la actualidad se usa el llamado modelo estándar para describir
la materia que constituye el universo y sus interacciones.
De acuerdo con el modelo estándar, existen seis tipos
de quarks, seis tipos de leptones y cuatro tipos de bosones. Estas partículas
están divididas en dos grandes categorías por el principio de exclusión de Pauli:
las que no están sujetas a este principio son los bosones y a las que sí lo
están se las llama fermiones
Los bosones son partículas que no cumplen el principio
de exclusión de Pauli, por lo que dos partículas pueden ocupar el mismo estado
cuántico. A temperaturas muy bajas tienden a ocupar el nivel energético más
bajo, ocupando todas las partículas el mismo estado cuántico.
Los fermiones son
partículas con espín, o momento angular intrínseco, fraccionario y que sí están
sujetos al principio de exclusión de Pauli. O sea que dos partículas no pueden
estar en un mismo estado cuántico en el mismo momento. Su distribución está
regida por la estadística de Fermi-Dirac; de ahí su nombre.
Los fermiones son
básicamente partículas de materia, pero a diferencia de los bosones, no todos
los fermiones son partículas elementales. El caso más claro es el de los
protones y neutrones; estas partículas son fermiones pero están compuestos de
quarks, que, en nuestro nivel actual de conocimientos, sí se consideran como
elementales.
Los fermiones se dividen en dos grupos: los quarks y
los leptones. Esta diferencia se aplica debido a que los leptones pueden
existir aislados, a diferencia de los quarks que se encuentran siempre en
presencia de otros quarks. Los grupos de quarks no pueden tener carga de color
debido a que los gluones que los unen poseen carga de color.
Las partículas se
agrupan en generaciones. Existen tres generaciones:
La primera está
compuesta por el electrón, su neutrino y los quarks up y down. La materia ordinaria
está compuesta por partículas de esta primera generación. Las partículas de
otras generaciones se desintegran en partículas de las generaciones inferiores.
La mecánica
cuántica describe, en su visión más ortodoxa, cómo en cualquier sistema
físico, y por tanto, en todo el universo, existe una diversa multiplicidad de
estados, los cuales habiendo sido descritos mediante ecuaciones matemáticas por
los físicos, son denominados estados cuánticos. De esta forma la mecánica
cuántica puede explicar la existencia del átomo y revelar los misterios de la
estructura atómica, tal como hoy son entendidos; fenómenos que no puede
explicar debidamente la física clásica o más propiamente la mecánica clásica.
De forma
específica, se considera también mecánica cuántica, a la parte de ella misma
que no incorpora la relatividad en su formalismo, tan sólo como añadido
mediante la teoría de perturbaciones. La parte de la mecánica cuántica que sí
incorpora elementos relativistas de manera formal y con diversos problemas, es la
mecánica cuántica relativista o ya, de forma más exacta y potente, la teoría
cuántica de campos (que incluye a su vez a la electrodinámica cuántica,
cromodinámica cuántica y teoría electrodébil dentro del modelo estándar) y más
generalmente, la teoría cuántica de campos en espacio-tiempo curvo. La única
interacción que no se ha podido cuantificar ha sido la interacción
gravitatoria.
La mecánica
cuántica es el fundamento de los estudios del átomo, su núcleo y las partículas
elementales (siendo necesario el enfoque relativista).
La mecánica
cuántica es, cronológicamente, la última de las grandes ramas de la física.
Comienza a principios del siglo XX, en el momento en que dos de las teorías que
intentaban explicar ciertos fenómenos, la ley de gravitación universal y la
teoría electromagnética clásica, se volvían insuficientes para esclarecerlos.
La teoría electromagnética generaba un problema cuando intentaba explicar la
emisión de radiación de cualquier objeto en equilibrio, llamada radiación
térmica, que es la que proviene de la vibración microscópica de las partículas
que lo componen. Usando las ecuaciones de la electrodinámica clásica, la
energía que emitía esta radiación térmica tendía al infinito si se suman todas
las frecuencias que emitía el objeto, con ilógico resultado para los físicos.
Fue Max Planck
quien entonces enunció la hipótesis de que la radiación electromagnética es
absorbida y emitida por la materia en forma de «cuantos» de luz o fotones de
energía mediante una constante estadística, que se denominó constante de
Planck.
Las suposiciones
más importantes de esta teoría son las siguientes:
- Al ser imposible fijar a la vez la
posición y el momento de una partícula, se renuncia al concepto de
trayectoria, vital en mecánica clásica. En vez de eso, el movimiento de
una partícula 'puede ser explicado por una función matemática que asigna,
a cada punto del espacio y a cada instante, la probabilidad de que la
partícula descrita se halle en tal posición en ese instante (al menos, en
la interpretación de la
Mecánica cuántica más usual, la probabilística o
interpretación de Copenhague). A partir de esa función, o función de
ondas, se extraen teóricamente todas las magnitudes del movimiento
necesarias.
- Existen dos tipos de evolución
temporal, si no ocurre ninguna medida el estado del sistema o función de
onda evolucionan de acuerdo con la ecuación de Schrödinger, sin embargo,
si se realiza una medida sobre el sistema, éste sufre un «salto cuántico»
hacia un estado compatible con los valores de la medida obtenida
(formalmente el nuevo estado será una proyección ortogonal del estado
original).
- Existen diferencias perceptibles
entre los estados ligados y los que no lo están.
- La energía no se intercambia de
forma continua en un estado ligado, sino en forma discreta lo cual implica
la existencia de paquetes mínimos de energía llamados cuantos, mientras en
los estados no ligados la energía se comporta como un continuo.
La Teoría de la relatividad especial, también llamada Teoría de la relatividad
restringida, es una teoría de la física publicada en 1905 por Albert
Einstein. Surge de la observación de que la velocidad de la luz en el vacío es
igual en todos los sistemas de referencia inerciales y de obtener todas las
consecuencias del principio de relatividad de Galileo, según el cual cualquier
experimento realizado, en un sistema de referencia inercial, se desarrollará de
manera idéntica en cualquier otro sistema inercial.
La Teoría de la relatividad especial estableció nuevas
ecuaciones que facilitan pasar de un sistema de referencia inercial a otro. Las
ecuaciones correspondientes conducen a fenómenos que chocan con el sentido
común, siendo uno de los más asombrosos y más famosos la llamada paradoja de
los gemelos.
La relatividad
especial tuvo también un impacto en la filosofía, eliminando toda posibilidad
de existencia de un tiempo y de un espacio absoluto en el conjunto del universo.
- Primer postulado. Principio
especial de relatividad: Las leyes de la física son las mismas en
todos los sistemas de referencia inerciales. En otras palabras, no existe
un sistema inercial de referencia privilegiado, que se pueda considerar
como absoluto.
- Segundo postulado. Invariancia de
c: La velocidad de la luz en el vacío es una constante
universal, c, que es independiente del movimiento de la fuente de
luz.
Actualmente se
considera como relatividad general el estudio del espacio-tiempo deformado por
campos gravitatorios, dejando el estudio de los sistemas de referencia
acelerados en espacios planos dentro de la relatividad especial. Igualmente la
relatividad general es una de las teorías más relevantes para la construcción
de modelos cosmológicos sobre el origen del universo.
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