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La Gravedad

Todos los objetos con masa en el universo atraen a todos los objetos con masa. La fuerza invisible que provoca que dos masas se atraigan es lo que llamamos Gravedad.
El concepto de la gravedad fue descubierto por Sir Issac Newton en el siglo XVII. Se le ocurrió cuando vio una manzana caer. La manzana le ayudó a darse cuenta de que todos los objetos se atraen entre sí, y cuanto mayor es la masa, mayor es la atracción.
La gravedad tuvo un papel crucial en la creación del universo. Cuando ocurrió el Big Bang, millones de partículas salieron esparcidas por todas partes, y fue la gravedad quien juntó las partículas, permitiendo que crearan átomos, estrellas, y a nosotros. Sin la gravedad, el universo sería un lugar con partículas solitarias vagando por el espacio.  
¿Cómo funciona la gravedad?
La luna atrae a los océanos, la tierra atrae a la luna, el sol atrae a la tierra, etc. Cuanto más cerca estén estos objetos entre sí, mayor será la atracción. Sin embargo, Sir Issac Newton nunca entendió por qué se produce esto. Doscientos años tuvieron que transcurrir para que el hombre por fin comprendiera el funcionamiento de la gravedad. Todo gracias a la famosa teoría de Einstein, la Relatividad General.
La Relatividad General nos muestra que el universo reposa en un tejido llamado espacio-tiempo; y que este espacio-tiempo puede deformarse por la masa de los objetos. Esta curvatura del espacio-tiempo, es lo que todos conocemos como gravedad. De acuerdo con Einstein, la gravedad no era una fuerza sino más bien una consecuencia de la deformación del espacio-tiempo producida por la masa. Sin embargo, Einstein se dio cuenta de que si el universo realmente funcionaba así, la gravedad finalmente haría que todo colapsara en un mismo centro. Pero, ¿qué evitaba que esto ocurriera? Para contrarrestar este efecto Einstein ideó la constante cosmológica, que tendría un efecto contrario al de la gravedad, y de esta forma evitaría que todo se consumiera. Sin embargo, Einstein no tardó en darse cuenta de que este modelo no era el adecuado, y tuvo que enfrentar el hecho de que el universo había tenido un comienzo, y como se encontraba en expansión, esto contrarrestaba el efecto de la gravedad.
Einstein unió el cielo con la tierra con la teoría de la relatividad. Maxwell unificó la electricidad con el magnetismo. Einstein creía que todo debería combinarse para crear una teoría completa, una teoría de todo que unificara todas las leyes del universo, y que combinara su concepto de la gravedad con el electromagnetismo. Sin embargo, él descubrió que las diferencias entre estas dos fuerzas eran enormes. La mayoría de las personas tienden a pensar que la gravedad es extraordinariamente fuerte. Sin embargo, si la comparamos con el electromagnetismo, es de hecho, débil. El electromagnetismo es millones de veces más fuerte que la gravedad.
La gravedad es totalmente diferente de las otras 3 fuerzas fundamentales, porque es la más débil. Los físicos no podían combinar la relatividad de Einstein con la mecánica cuántica (combinación del electromagnetismo, y las fuerzas nucleares fuerte y débil). Se necesitaba una forma de explicar y unificar la gravedad con las otras fuerzas, una teoría explicando todo. La solución: la teoría de cuerdas, también llamada la teoría M.
La teoría M se basa en la creencia de que todas las partículas están compuesta de pequeñitas cuerdas. Tan pequeñas, que si supusiéramos que el átomo es del tamaño del sistema solar, una cuerda sería del tamaño de un árbol en la tierra. Para que esta teoría funcione, once dimensiones son necesarias. En una de las dimensiones las cuerdas son capaces de estirarse, hasta tener incluso el tamaño de nuestro universo, a estas cuerdas gigantes se les llama branas. Todo esto lleva a la conclusión de que nuestro universo no es único como se creía, sino que hay una cantidad infinita de multiversos. De hecho, nuestro universo puede ser sólo una brana más.

Ahora, ¿qué tiene que ver esto con la gravedad? Al principio los científicos pensaban que todo consistía de cuerdas cerradas. Pero, con la teoría M se cree que todo lo que nos rodea, masa y luz, está compuesto de cuerdas abiertas. El gravitón, la partícula portadora de la fuerza gravitacional, sería la única partícula compuesta de cuerdas cerradas. ¿? ¿Y entonces?
Eso significaría que todos los objetos compuestos de cuerdas abiertas, están sujetos a nuestra brana (universo), ya que uno de los extremos está pegado a ella. Y por ello, no somos capaces de percibir los otros multiversos. La gravedad, al estar compuesta de cuerdas cerradas, no tiene ataduras a nuestro universo, y por lo tanto, es libre de vagar por todos ellos. Esto haría que la gravedad, apareciese en nuestro universo como una fuerza débil, pero no es más que la consecuencia de que esté divida entre todos los multiversos posibles.

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SUSY: Supersimetría


La supersimetría es una teoría que propone que cada partícula tiene una supercompañera. Las partículas supercompañeras tienen mayor masa que las partículas originales. Además de ser más inestables, y raramente interactúan.
Se cree que al principio sólo existía la superfuerza, totalmente simétrica. Estaba compuesta de lo mismo y todo se comportaba de la misma forma. Pero a medida que el universo se expandía, ésta simetría se rompió, creando la gran variedad de partículas que existen hoy en día.
Sabemos que el modelo estándar de divide en dos familias: los fermiones y los bosones. La supercompañera de un quark (fermión), vendría a ser el Squark (Bosón); ó, la supercompañera de un Fotón (bosón), sería un Fotino (fermión). Esta simetría entre la materia (fermión) y la fuerza (bosón) es lo que llamamos supersimetría.

Existen muchas especulaciones sobre si la supersimetría es real o no. Si es real, la supersimetría resolvería una de las más grandes cuestiones de la física de partículas. Además, podría contribuir a la teoría de supercuerdas. Actualmente, los científicos del LHC (Gran Colisionador de Hadrones) esperan comprobar o desmentir la teoría de la supersimetría, de una u otra forma será un gran avance para el desarrollo de la nueva física.

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La Antimateria

La antimateria y su paradero son uno de los grandes fenómenos del universo. Los físicos creen que al principio el universo tenía la misma cantidad de materia y antimateria. Aunque como podemos observar, el universo esta hecho de materia y no de antimateria. Esto se debe a que al comienzo había ligeramente más materia que antimateria y por lo tanto, la materia prevaleció. 


Se preguntaran ¿qué es exactamente la antimateria? Podemos decir que la antimateria es la gemela malvada de la materia, es exactamente igual que la materia solo que su carga es la opuesta. Por ejemplo, un protón y un antiprotón tienen la misma masa, únicamente que mientras el protón tiene carga positiva, el antiprotón tiene carga negativa. Todas las partículas tienen una antipartícula.



La materia y la antimateria son eternas rivales, ya que al entrar en contacto se aniquilan mutuamente, produciendo energía pura (rayos gamma). De hecho, estas colisiones son una de las grandes fuentes de energía del universo. Así que usted no querría darle la mano a su anti-gemelo.
Si lográramos aprovechar de algún modo la energía producida por estas colisiones, tendríamos una de las más eficaces fuentes de energía. Para tener una idea de lo asombroso que es esta energía, imaginemos que tenemos un puñado de materia y otro de antimateria, al colisionarlos, la energía producida sería suficiente darle electricidad a toda una ciudad por algunas semanas. Sin embargo, actualmente resulta muy costoso producir este tipo de antimateria.

¿Queda algo de antimateria en el universo?
La respuesta es sí. De hecho, podemos hallar un poco de antimateria en el centro de nuestra galaxia. Por extraño que parezca, los físicos también creen que puedan existir galaxias hechas de antimateria, del mismo modo que nuestra galaxia está hecha de materia.

Usos reales de la antimateria
Actualmente, partículas de antimateria obtenida a partir de la desintegración de material radioactivo son inyectadas al cuerpo para realizar un estudio PET (Tomografía por Emisión de Positrones) del cerebro. Los positrones, también conocidos como antielectrones, viajan a la parte del cuerpo que necesitan estudiar; cuando el positrón sale se encuentra un electrón y se aniquilan, entonces los rayos gamma se desprenden del cuerpo y son detectados. Estos se concentran en las parte del cerebro donde hay actividad mental, y luego pueden detectar la emisión de la radiación de positrones, creando la imágenes del cerebro que podemos ver.

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El Modelo Estándar


El principal propósito del modelo estándar es entender la materia. Este modelo está divido en dos partes, los bosones y los fermiones. A su vez, los fermiones se dividen en dos partes: los quarks y los leptones; mientras que los bosones se refieren a las partículas portadoras de las cuatro fuerzas fundamentales.
Los gluones son la partícula mediadora de la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza mantiene unido a los quarks para formar partículas compuestas, tales como el protón, el neutrón, y el mesón. Por otro lado, los leptones interaccionan únicamente con el electromagnetismo, la gravedad, y la fuerza nuclea débil. La combinación de los quarks, como el protón y el neutrón, con los leptones, como el electrón, crea los átomos.



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Las Partículas

Las partículas lo crean todo, desde un lápiz hasta una galaxia, están por todas partes. Las partículas de la materia se llaman fermiones, que se dividen en quarks y leptones. Por otro lado, están las partículas portadoras de fuerza llamadas bosones. Juntas crean el hermoso universo que tenemos el privilegio de ver hoy en día. Sin embargo, se preguntarán si todos estamos hecho de lo mismo ¿por qué somos diferentes entre nosotros? Bueno, eso se debe a las diferentes combinaciones de partículas que nos componen.
Podrás ver nuestra vasta colección de partículas. ¿Cuál es tu partícula favorita?

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QCD & QED








QCD: La Cromodinámica Cuántica explica la extraña naturaleza de los quarks y la fuerza nuclear fuerte. Los quarks son partículas subatómicas que siempre se encuentran en grupos llamados hadrones, no se pueden encontrar quarks confinados. Esto se debe a la fuerza que la interacción nuclear fuerte aplica sobre ellos. A diferencia de otras partículas, los quarks no tienen carga eléctrica, sino carga de color. Existen tres tipos de carga de color, correspondiente a los colores primarios: rojo, azul, y verde. Obviamente, esto es sólo una denominación, ya que no hay color visible alguno. Al igual que la suma de positivo y negativo es neutra o cero; la suma de los tres colores es blanco o neutro.
La partícula portadora de la fuerza nuclear fuerte es el gluón. Existen ocho tipos de gluones cada uno con propiedades distintas de color. Los quarks intercambian de color constantemente gracias al gluón que transporta la carga.

Libertad asintótica: A mayor distancia mayor fuerza

La fuerza nuclear fuerte tiene una característica peculiar que no comparten las otras fuerzas, la libertad asintótica. Cuando los quarks se encuentran más cerca entre sí, la fuerza aplicada es menor o casi nula; a medida que los quarks se alejan entre sí, la fuerza aumenta considerablemente. Todo lo contrario a la gravedad y el electromagnetismo cuya fuerza disminuye a mayor distancia.



Conservación de la Carga de color
Como había explicado antes los quarks tienen carga de color y constantemente interaccionan con los gluones intercambiando su carga de color. Sin embargo, un quark siempre conserva su carga de color. Por ejemplo: Si un quark azul cambia de carga a verde, emite en el proceso un gluón con carga azul y anti-verde. Por lo tanto, el verde y el anti-verde se eliminan, quedando la carga azul original.

Confinamiento de la carga de color
Mientras que el fotón puede vagar libremente, las partículas con carga de color no lo pueden hacer. Para comprenderlo mejor, imaginemos que tenemos un mesón, el cual está formado por un quark y un anti-quark, si nosotros tratáramos de romper esta unión entre quarks nos daríamos cuenta de que es simplemente imposible. Esto se debe a que cuando un gluón se ve en esta situación, crea el resorte que mantiene unido a los quarks se estira más y más. Sin embargo, si la distancia sigue aumentando, una nueva pareja de quarks y anti-quarks es creada; y a medida que se estira más, más parejas se quarks son creadas, este fenómeno es llamado hadronización.

QED: La Electrodinámica Cuántica describe la interacción entre partículas cargadas mediante el intercambio de fotones. Se puede decir que es la versión cuántica de la teoría de campo electromagnético, de modo que combina la mecánica cuántica con una descripción del campo eléctrico y las partículas subatómicas. Gracias al extravagante físico, Richard Feynman, podemos entender un poco mejor esta teoría mediante los famosos diagramas de Feynman.

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Las Fuerzas que rigen el universo

El universo que conocemos está gobernado por 4 fuerzas fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil, y la fuerza nuclear fuerte.

La gravedad es la fuerza más desconcertante de todas, aunque suene extraño, puesto que la gravedad fue el primer tipo de fuerza identificada. La gravedad es la responsable de atraer a los objetos con gran masa sin importar su carga eléctrica; sin embargo, la gravedad es la fuerza más débil, de hecho, la fuerza electromagnética es millones de veces más fuerte.
Por ejemplo: Si un sujeto decide tirarse de un edificio de 15 pisos, al llegar al suelo él no podrá traspasarlo, eso debe a que la fuerza electromagnética no lo permite, y la gravedad no es lo suficientemente fuerte como para hacer algo al respecto. Así que al final, lo único que habrá es un sujeto aplastado en el suelo. Si la gravedad fuese remotamente parecida a las otras 3 fuerzas, probablemente tendríamos un universo con billones de agujeros negros en los cuales ni las estrellas, ni nosotros existiríamos. Por lo tanto, es conveniente que la gravedad actúe como actúa, aunque no deja de ser intrigante. 
La gravedad comparte ciertas propiedades con el electromagnetismo, aunque al contrario del electromagnetismo, la gravedad sólo es capaz de atraer objetos y no repelerlos.  Einstein mostró un modelo de la gravedad, conocido como la curvatura del espacio-tiempo, que es actualmente el modelo más satisfactorio que tenemos de la gravedad. Sin embargo, la gravedad parece no encajar con el mundo cuántico. El modelo estándar unificó exitosamente las 3 fuerzas fundamentales, pero la gravedad quedó aislada. Actualmente, se cree que la gravedad tiene un bosón de gauge, el gravitón, que despejaría alguno de los fenómenos de la gravedad; sin embargo, continúa siendo hipotético.
Antiguamente los científicos observaron que la electricidad y el magnetismo se podían intercambiar. Sin embargo, fue James Maxwell quien describió y unificó la electricidad con el magnetismo en tan solo 4 ecuaciones. Maxwell no tardó en darse cuenta que las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad de la luz, por lo tanto, la partícula portadora del electromagnetismo es el fotón. El electromagnetismo es la fuerza que actúa sobre objetos con carga eléctrica, y es de vital importancia ya que une los iones cargados para formar moléculas y otros compuestos químicos. Esta fuerza es millones de veces más fuerte que la gravedad, y al igual que ella, es una fuerza de largo alcance. A diferencia de la gravedad, la fuerza electromagnética es capaz repeler al igual que atraer objetos con carga eléctrica. Los neutrinos no poseen carga eléctrica, por lo tanto, no se ven afectados por el electromagnetismo.


La fuerza nuclear débil es la fuerza que permite que los protones se conviertan en neutrones, emitiendo radiación en el proceso. Igualmente, es la responsable de las diferentes reacciones nucleares que ocurren en las estrellas. Sin la fuerza nuclear débil no existiríamos, y todo sería una gran nube de polvo. A diferencia de gravedad y el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil es de corto alcance, ya que a mayor distancia la fuerza es nula. Los bosones de gauge de esta fuerza son: el Bosón W±, y el Bosón Z con carga 0. La fuerza débil posee una condición única llamada cambio de sabor. Por ejemplo: Si un neutrón, el cual contiene más masa que un protón, trata de decaer en un protón, no puede hacerlo sin antes cambiar el sabor del quark del protón. En este proceso, el quark down del neutrón se transforma en un quark up, emitiendo un Bosón W, que luego se rompe en un electrón altamente energético (radiación beta) y un antineutrino. Este proceso es llamado Desintegración Beta.

La fuerza nuclear fuerte es la responsable de mantener a los quarks unidos creando a los hadrones. Esta fuerza es mucho más compleja. La propiedad de carga responsable por la fuerza entre quarks tiene 3 estados diferentes, no 2 como la carga positiva y negativa del electromagnetismo. A estas tres cargas se les llama carga de color (rojo, azul, y verde), y es una propiedad única de la fuerza nuclear fuerte. La teoría de quarks se llama Cromodinámica Quántica (QCD). Pero no se confundan, todas las partículas observadas son blancas, es decir, su color no es visible, la carga de color es utilizada únicamente como referencia para distinguir su tipo de carga. Al igual que las cargas eléctricas en donde la suma de un positivo y un negativo es cero o neutra; la suma de los tres colores es blanca.
Por ejemplo: Un barión contiene 3 quarks, que contienen 3 colores diferentes (rojo, azul, verde), que suma blanco.
Un mesón contiene un quark y un antiquark, por lo tanto, sus colores son: rojo y anti-rojo, ó azul y anti-azul, ó verde y anti-verde, cuya suma es blanco igualmente.
La fuerza nuclear fuerte también tiene su propio bosón de gauge, de hecho, tiene 8. Ocho tipos diferentes de gluón que porta la fuerza de color. A diferencia de las otras fuerzas, los gluones tienen una propiedad de color e interaccionan entre sí. Cuando dos quarks interaccionan intercambian de gluón, y cambian de color.


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