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La fisica y quimica

Capítulo 21. El concepto de campo en física

 

21.1 Campos y fuerzas

 

Las teorías de campo describen cómo las fuerzas interactúan con la materia. El físico estadounidense Richard Feynman describió un campo como algo que tiene el potencial de producir una fuerza. [1] James Clerk Maxwell describió el campo electromagnético en 1864 [2] (discutido en ] Capítulo 5 ). El campo electromagnético describe la fuerza electromagnética, que sienten todos los objetos con carga.

 

Feynman describió cómo en el caso del campo electromagnético, donde las cargas positivas repelen las cargas negativas, la carga positiva crea una “condición” donde la carga negativa “siente” una fuerza. [1]

 

La teoría de la relatividad general de Albert Einstein describió el campo gravitacional en 1916 [3] (discutido en el Libro I). El campo gravitacional describe la fuerza gravitacional, que sienten todos los objetos con masa. Einstein demostró que la fuerza de la gravedad viaja a la velocidad de la luz, y esto llevó a la predicción de que el campo gravitacional transporta ondas gravitacionales, del mismo modo que el campo electromagnético transporta ondas electromagnéticas.

 

21.1.1 Teorías de campo cuántico

 

Las teorías de campo cuántico se desarrollaron para explicar cómo funcionan las fuerzas, teniendo en cuenta tanto la mecánica cuántica (discutida en Capítulo 17 ) como la teoría de la relatividad especial de Einstein (discutida en el Libro I). En el siglo XX, se demostró que existen al menos cuatro fuerzas fundamentales: [4]

 

  • La fuerza electromagnética, que se describe mediante la electrodinámica cuántica (QED) (discutida en Capítulo 22 ).
  •  

  • La fuerza nuclear fuerte, que se describe por cromodinámica cuántica (QCD) (discutido en Capítulo 23 ).
  •  

  • La fuerza nuclear débil, que se describe por la teoría de electrodébil (EWT) (discutido en Capítulo 24 ).
  •  

  • La fuerza de gravedad, que es la fuerza menos comprendida, pero puede describirse mediante la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de bucles (discutido en Capítulo 25 ).

 

 

 An illustration of magnetic field lines created by a bar magnet.

 

 

 

 An artist’s impression of magnetic field lines around a neutron star.

 

 

 

 

 

Figura 21.2
Crédito de imagen

La impresión de un artista del campo magnético alrededor de un magnetar, un tipo de estrella de neutrones altamente magnética.

 

 

También se demostró que las fuerzas son realmente “transmitidas” por objetos similares a partículas, los bosones fundamentales: fotones, gluones y los bosones Z y W. [4]

 

En 2015, los físicos de la Academia de Ciencias de Hungría informaron de la evidencia de un nuevo bosón que puede transmitir una quinta fuerza fundamental con un alcance extremadamente corto. [5] Se obtuvieron más pruebas en 2016, [6] y actualmente se están realizando investigaciones en el CERN y en Thomas Jefferson National Accelerator Facility en los Estados Unidos. [7]

 

La mecánica cuántica muestra que a altas energías, el electromagnetismo y la fuerza débil se combinan para formar una sola fuerza, conocida como la fuerza de electrodepresión. [8-10] En general, se espera que a energías aún más altas, la fuerza fuerte pueda combinarse con la fuerza electrodébil. Las teorías que sugieren esto se conocen como grandes teorías unificadas (GUT). [11]

 

Aún a energías más altas, la fuerza de la gravedad podría combinarse con esta otra fuerza para que todas las fuerzas puedan ser descritas por una sola teoría. Las teorías que sugieren esto a veces se denominan teorías de todo (TOE). [12]