Textos de ampliación. 1. Movimiento de precesión de los equinoccios. 1 Unidad 1

Transcripción

1 1. Movimiento de precesión de los equinoccios 2. Teoría de la relatividad general 3. Espectroscopio 4. Fuerzas fundamentales 5. Teorías de la gran unificación 6. Las teorías más modernas 1. Movimiento de precesión de los equinoccios La precesión es el cambio en la dirección del eje alrededor del cual gira un objeto. En el caso de la Tierra, este hecho es debido a que nuestro planeta está achatado por sus polos. Si fuese una esfera perfecta, la atracción gravitatoria del Sol tendría siempre la misma fuerza, y la dirección del eje terrestre no se modificaría. Pero su movimiento de rotación hace que la Tierra sea más achatada en los polos y más ensanchada en el ecuador. Esto hace que la atracción de la gravedad varíe, al variar el cuadrado de la distancia entre el centro del Sol y el de la Tierra. 1 Unidad 1

2 Como el eje de la Tierra está inclinado, una mitad del ensanchamiento ecuatorial queda a un lado del plano de la eclíptica y la otra mitad, al otro. Plano de la eclíptica Durante los equinoccios, las dos mitades ensanchadas están a la misma distancia del Sol, y no se produce la torsión en la fuerza gravitatoria que genera la precesión. El resto del tiempo, y sobre todo durante los solsticios, una de las mitades ensanchadas queda más lejos del Sol que la otra. 2 Unidad 1

3 Mediante el movimiento de precesión el eje de la Tierra recorre una circunferencia completa cada años, con centro en el polo de la eclíptica. Como consecuencia de este movimiento, los polos celestes cambian continuamente. 3 Unidad 1

4 2. Teoría de la relatividad general Esta teoría gravitatoria, publicada por el físico Albert Einstein en 1915, afirma que la fuerza de la gravedad es una manifestación de la geometría local del espacio-tiempo. Está basada en una teoría previa del mismo autor, la teoría de la relatividad especial, desarrollada algunos años antes. La teoría de la relatividad especial establece la constancia de la velocidad de la luz, y demuestra que: Un intervalo de tiempo o una distancia medidos en tierra son diferentes si se miden desde un móvil. Masa y energía son conceptos equivalentes: la masa puede convertirse en energía, y al contrario. De aquí surge la famosa ecuación E = m c 2, donde c es la velocidad de la luz. La teoría de la relatividad general generaliza esta teoría para explicar la atracción gravitatoria entre masas. La teoría establece que la gravedad es consecuencia de la forma del espacio. Si representamos el espacio como una hoja de papel: Cuando no existe materia, el espacio es plano: todas las celdas tienen el mismo tamaño. La presencia de una estrella, debido a su masa, deforma el espacio en las zonas que la rodean. Cuanto más cerca de la estrella, más se modifica el patrón del espacio. Según esto, la gravedad que ejerce el Sol sobre un planeta es el efecto del movimiento del planeta dentro de la zona del espacio deformada por la masa del Sol. La mayoría de las predicciones de esta teoría han sido comprobadas; algunas de las principales son la desviación de la luz al pasar por el Sol, el corrimiento espectral de la luz hacia el rojo o la existencia de agujeros negros. 4 Unidad 1

5 3. Espectroscopio Un espectroscopio es un instrumento que dispersa la luz emitida por un foco, descomponiéndola en las diferentes radiaciones monocromáticas de las que consta. La dispersión se realiza o por refracción (espectroscopios de prisma) o por difracción (espectroscopios de red). El espectroscopio de prisma está formado por una rendija por la que entra la luz, un conjunto de lentes, un prisma y una lente ocular. La luz pasa primero por una lente colimadora, que produce un haz de luz estrecho y paralelo, y después por el prisma que separa este haz en los distintos colores que lo componen. Con la lente ocular se enfoca la imagen de la rendija. En el espectroscopio de red la luz se dispersa mediante una red de difracción, que consiste en una superficie de metal o vidrio con muchas líneas paralelas muy finas marcadas. Tiene mayor poder de dispersión que un prisma, por lo que permite una observación más detallada de los espectros. 5 Unidad 1

6 4. Fuerzas fundamentales Son las cuatro interacciones fundamentales que existen en el Universo: Fuerza gravitatoria. Fuerza electromagnética. Fuerza nuclear fuerte. Fuerza nuclear débil. La fuerza gravitatoria Actúa a grandes distancias; a escala de partículas, sin embargo, no es muy consistente. En comparación con el resto de interacciones, es la más débil. Tiene un solo sentido, pero alcance infinito. Según el modelo estándar, la partícula mediadora de esta fuerza es el gravitón. La fuerza electromagnética Actúa entre partículas con carga eléctrica, tanto en reposo (electrostática) como entre cargas que se mueven una con respecto a otra (eléctrica y magnética). Es una interacción muy fuerte y puede describir casi todos los fenómenos de nuestra vida cotidiana. Es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Tiene dos sentidos (positivo y negativo) y su alcance es infinito. Las partículas mediadoras, según el modelo estándar, son los fotones. La fuerza nuclear fuerte Es la interacción que permite la unión de los quarks para formar partículas hadrónicas y la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, pero es más intensa que la fuerza electromagnética. Aunque es muy fuerte, más que la fuerza electromagnética, solo se aprecia en distancias muy pequeñas; es solamente atractiva. La partícula mediadora de esta interacción es el gluón. La fuerza nuclear débil Es la interacción responsable de que quarks y leptones se desintegren en partículas más ligeras. Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte. Es una fuerza atractiva. Según el modelo estándar, las partículas mediadoras son los bosones W y Z. 6 Unidad 1

7 5. Teorías de la gran unificación Todo lo que sucede en el Universo se debe a la actuación de una o más de las cuatro fuerzas fundamentales. Los científicos intentan demostrar que todas estas fuerzas fundamentales son manifestaciones de un modo único de interacción en circunstancias distintas. Hasta ahora la fuerza nuclear débil y la electromagnética se han podido unificar en la fuerza electrodébil. Las teorías del campo unificado consideran que dos o más de las cuatro fuerzas fundamentales actúan como si fueran esencialmente idénticas. La teoría de la gran unificación intenta integrar en un único marco teórico las fuerzas nuclear fuerte y electrodébil. Esta teoría todavía está en proceso de ser comprobada. La teoría del todo es otra teoría que pretende proporcionar una descripción unificada de las cuatro fuerzas fundamentales. Actualmente, la mejor candidata a convertirse en una teoría del todo es la teoría de supercuerdas. Fuerza nuclear fuerte Superfuerza Gran fuerza unificada Fuerza nuclear débil Fuerza electromagnética Fuerza gravitatoria s s s 7 Unidad 1

8 6. Las teorías más modernas La teoría de la relatividad general describe la naturaleza de la fuerza de la gravedad en el Universo en expansión, mientras que el modelo estándar es la teoría que describe a la perfección las partículas elementales constituyentes de la estructura de la materia (quarks, leptones) y las fuerzas fundamentales, excepto la gravedad, que actúan sobre ellas (nuclear fuerte, nuclear débil y electromagnetismo). Por otra parte, la teoría de la gran unificación (TGU) solo es capaz de unificar estas tres últimas fuerzas. Por esta razón, durante muchos años, los físicos han soñado con elaborar una teoría del todo que permitiera elaborar un conjunto de ecuaciones maestras que contendrían toda la ciencia capaz de unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, describir las interacciones entre todas las partículas elementales y explicar el origen, la evolución y el destino del Universo. Este deseo aún no se ha visto cumplido, porque la fuerza de la gravedad se resiste a ser expresada bajo la forma de la mecánica cuántica. Solo algunas teorías de gran complejidad matemática, como la teoría de cuerdas o la teoría M, tratan de interpretar los sucesos ocurridos en los instantes posteriores (y previos) al gran estallido. Se trata de teorías que tratan de describir de manera conjunta, mediante ecuaciones matemáticas, la gravedad y el Universo a gran escala y sus componentes más pequeños, como las partículas elementales. Teoría de cuerdas Una forma de abordar el problema de la gravitación cuántica consiste en dejar de considerar a las partículas como entidades puntuales y tratarlas como objetos unidimensionales, como si fueran cuerdas cerradas o abiertas que existirían en un espacio multidimensional (tres dimensiones espaciales, una temporal y las restantes estarían enrolladas o compactadas). Las partículas subatómicas no son puntos, sino cuerdas que vibran y, dependiendo de esas vibraciones, adquieren una u otra forma. Para que el Universo sea tal como lo conocemos, durante el Big Bang las tres dimensiones espaciales (ancho, largo y alto) y una temporal (el tiempo) se expandieron, mientras que las restantes dimensiones se compactaron. Teoría M Es una teoría que pretende unificar las cinco teorías de cuerdas (tipo I, tipo IIA, tipo IIB, tipo SO y tipo HE). Contiene objetos, llamados p-branas, donde p puede adoptar valores mayores que 1 y así dar lugar a objetos de varias dimensiones: cuerdas (p = 1, es decir, 1-brana), membranas (p = 2, es decir, 2-brana), etc., y así hasta construir objetos de mayores dimensiones. Según esta teoría, podríamos existir en una sección tridimensional de un mundo de más dimensiones, un multiverso, pero viviríamos atrapados en nuestro propio Universo, que sería una de esas membranas, desde el que no tendríamos acceso a otras membranas que representarían a los demás universos. Modelo estándar El modelo estándar ha representado el intento más satisfactorio de desarrollar una teoría unificadora que permita describir la estructura íntima de la materia y todas las fuerzas fundamentales que actúan sobre ella (excepto la gravedad). La elegancia de este modelo reside en su capacidad de describir interacciones complejas mediante un número muy reducido de partículas elementales y fuerzas fundamentales. Las ideas esenciales de este modelo son las siguientes: 8 Unidad 1

9 Toda la materia se puede describir mediante las partículas elementales materiales: seis tipos de quarks (arriba, abajo, encanto, extraño, fondo y cima) y seis tipos de leptones (electrón, muón, partícula tau, neutrino-electrón, neutrino-muón y neutrino-tau); además, existe una partícula de antimateria para cada una de las partículas materiales. De todas las partículas, el bosón de Higgs aún no se ha detectado experimentalmente. Las cuatro fuerzas fundamentales (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria) que actúan sobre la materia son el resultado del intercambio de partículas portadoras de fuerza, que actúan como mensajeras de la interacción: bosones W + W - Z 0, fotón, gluón y gravitón. Este último no se ha conseguido detectar experimentalmente. Fuerza Actúa sobre las partículas materiales. Fundamental Quarks Nuclear fuerte Residual Hadrones: Protones y neutrones Nuclear débil Electromagnética Gravitatoria Leptones y quarks Partículas con carga eléctrica Todas las partículas Tipo de partícula portadora de fuerza. Gluón Mesón Bosones W + W - Z 0 Fotón Gravitón Efectos: Lo que comúnmente llamamos fuerza son los efectos causados por el intercambio de partículas portadoras de fuerza (la pelota) entre las partículas materiales (los jugadores). Los quarks siempre van en grupo. Cuando dos o más quarks se aproximan rápidamente intercambian gluones y quedan «pegados», formando partículas compuestas llamadas hadrones, que pueden ser: Bariones: formadas por la asociación de tres quarks, como el protón (u, u, d) y el neutrón (u, d, d). Mesones: formadas por la asociación de dos quarks, como el pión (u, d). Une los protones y los neutrones en los núcleos atómicos, por mediación de la fuerza nuclear fuerte residual que es transportada por un grupo de mesones llamados piones. Es responsable de los fenómenos radiactivos y de todos los procesos en que intervienen los neutrinos. También es responsable de que las partículas de mayor masa se transformen (decaigan) en quarks y leptones más ligeros. Atrae a las partículas de distinta carga y repele a las de igual carga. Es responsable de que los electrones se mantengan unidos a los núcleos de los átomos, los átomos se unan para formar moléculas, y las moléculas se unan entre sí para formar estructuras vivas o inanimadas. La gravedad atrae y actúa sobre todo tipo de materia, desde las partículas elementales hasta las galaxias. Es la única fuerza que no está incluida en el modelo estándar, porque sus efectos sobre las partículas son diminutos, ya que se trata de una fuerza muy débil, a no ser que actúe sobre grandes masas. 9 Unidad 1