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Las cuatro Fuerzas y su Unificación

LAS CUATRO FUERZAS Y SU UNIFICACIÓN

 

Por: César Augusto Cortés A.
Lic. Física y Matemáticas.
 
 

 INTRODUCCIÓN
 

Aristóteles afirmaba que la clave del movimiento se encontraba en la resistencia. Había advertido que un cuerpo que se mueve más libremente, y en conclusión con más velocidad, en un medio tenue como el aire que en un medio espeso como el agua; en los dos casos era forzoso una energía motriz para superar la oposición de esos fluidos. Se mofaba del hipotético atomista que las partículas se trasladan libremente en el vacío, puesto que el vacío, hallándose falto de sustancia, no podía mostrar oposición. Concluía, que las partículas se moverían a una velocidad infinita, lo cual carecía de sentido.
 

La concepción de fuerza no se extendió cabalmente hasta el siglo XVII, con las leyes de la mecánica de Newton. Lo magistral de Newton fue darse cuenta de que el movimiento como tal no necesitaba forzosamente una fuerza. Un cuerpo material se traslada a una velocidad uniforme en una dirección fija sin ningún empuje externo que tire de él o lo empuje. Solamente las desviaciones del movimiento uniforme precisan una aclaración, la existencia de fuerzas. Según Newton, las fuerzas originan aceleraciones, y suministró una método matemático preciso para vincular los dos conceptos.
 

La teoría de Newton descartó de inmediato un escollo relativo al movimiento de la Tierra en torno al Sol. No hay ningún elemento distinguible que empuje o tire de la Tierra a lo largo de su órbita. Según la teoría de Newton, no se requiere ninguno.
 

La teoría de Newton, sin embargo, no explica el origen de las fuerzas que aceleran la materia. Aparentemente, esas fuerzas parecen ser bastantes y distintas: el levantar un cuerpo, el impacto del viento en un árbol, la presión del aire sobre el agua, el empuje del metal en expansión, la energía muscular humana, el peso de los objetos, etc. Algunas fuerzas actúan directamente por contacto con un cuerpo, como al tirar de un lazo, mientras que otras, como la gravedad, actúan a distancia a través del espacio vacío.
 

Sin importar su gran variedad, un análisis concienzudo ha evidenciado que toda de la naturaleza puede ser restringida a la intervención de cuatro fuerzas básicas. Esas fuerzas son, en resumen, responsables de toda acción del universo; son la causa de todos las transmutación. Entender las cualidades de esas cuatro fuerzas es una tarea trascendental para el físico y constituye un requisito indispensable en camino para unificarlas.
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LA GRAVEDAD
 

Históricamente, la gravedad es la primera fuerza de las cuatro fuerzas que fue estudiada científicamente. Aunque el hombre fue siempre conocedor de la gravedad, y apoyó en ellas las ideas mismas de arriba y abajo, el verdadero papel de la gravedad como fuerza de la naturaleza no fue examinado cabalmente hasta que se proclamó la teoría de la gravitación de Newton en el siglo XVII.

Hasta entonces, la gravedad se encontraba intrincadamente incorporada a la tierra y se confundía con las creencias cosmológicas dominantes.

Aristóteles, que sostenía que la Tierra se encontraba en el centro del universo, estimaba que la preferencia de los cuerpos a descender era un a demostración del principio general que de acuerdo con el cual todos los cuerpos gozan de su " lugar natural " en el universo y tienden hacia él. Las masas corpóreas tendían hacia abajo, mientras que las sustancias gaseosas tendían hacia los cielos, hacia el insustancial reino de los espíritus. Los mismos elementos etéreos de los cielos circulaban en torno a la Tierra en trayectorias exactamente circulares puesto que éste era geométricamente el movimiento perfecto.
 

Con la inclusión de conceptos astronómicos más modernos, se advirtió que las fuerzas gravitatorias no se encontraban circunscritas a la Tierra, si no que actuaban entre el Sol, la Luna, los planetas y todos los cuerpos del espacio. Una de las demostraciones más convincentes de este hecho fue la aclaración de Newton para las mareas de los océanos en términos de la atracción gravitatoria de la Luna.
 

La ley del inverso del cuadrado de Newton encarnaba la naturaleza de "largo alcance" de la gravedad. Con ello se comprende que aunque la fuerza de gravedad disminuye con la distancia, sus alcances siguen siendo importantes en el espacio y pueden ser sentidos hasta 
muy lejos. La gravedad mantiene al universo literalmente unido: sujeta a los planetas en su órbitas en torno al Sol, sostiene las estrellas en las galaxias, e impiden que se pierdan evaporándose en el vacío. De hecho, a escala astronómica, la gravedad es la fuerza dominante.

 
Un atributo trascendental de la gravedad es su universalidad. Nada en el cosmos evade a su acción. Cada partícula esta sujeta a la gravedad o se acopla a la gravedad. También la energía responde a la acción de la gravedad. Más aún, la fuerza con que las partículas se acoplan a la gravedad es siempre la misma, un suceso implícito en la célebre observación otorgada a Galileo de que todos los cuerpos caen con la misma velocidad sea cual sea su peso o constitución.
 

La fuerza de la gravedad entre partículas es siempre atractiva; actúa para unirlas. La gravedad repulsiva, o “antigravedad” como se denomina a veces, jamás a sido detectada. La razón de ello es que la repulsión necesita energía negativa. Puesto que la energía aprisionada en una partícula es siempre positiva, y le suministra una masa positiva, las partículas tienden siempre a gravitar las unas hacia las otras. La energía negativa parece como algo incomprensible. No obstante, aunque las partículas no pueden tener energía negativa, si puede disfrutarla un campo.
 

Tal vez lo más sorprendente de la gravedad sea su extrema debilidad. La fuerza de la gravedad entre los constituyentes de un átomo de hidrógeno es 10
-39 de fuerza eléctrica. Si la cohesión del átomo de hidrógeno dependiera de la fuerza de la gravedad y no de la electricidad la más pequeña órbita de un electrón sería más grande que el universo observable. De hecho, en el ámbito de las partículas subatómicas, la gravedad es tan débil que los físicos se sienten inclinados a desconocerla por completo. Nunca juegan ningún papel en ninguno de los procesos nucleares advertidos hasta hoy.
 

También en lo que respecta a los objetos macroscópicos, los efectos de su propia gravedad escapan a nuestra atención. Cuando deambulamos por las avenidas, las grandes construcciones ejercen una ligera atracción gravitatoria, excesivamente pequeña para que se deje sentir. Ya en 1774 el escocés Nevil Maskelyne advirtió una pequeña desviación de la vertical de una plomada originada por la fuerza gravitatoria de una montaña próxima. En 1797 Henry Cavendish efectuó un célebre experimento en el cual calculó muy concienzudamente la minúscula fuerza de atracción entre dos pequeñas esferas unidas a los extremos de una varilla de madera tendida horizontalmente, por una parte, y dos grandes bolas de plomo por otra. Esta fue la primera vez que una fuerza gravitatoria entre dos cuerpos se observó en el laboratorio, puede parecer extraordinario que logremos detectar la gravedad si es tan débil. Además, ¿cómo puede ser la fuerza cósmica dominante? La respuesta reside en su universalidad. Porque toda partícula gravita, y la gravedad se acumula a medida que aumenta la cantidad de materia.
 

Podemos sentir la gravedad en la vida diaria ya que cada uno de los átomos de la Tierra nos atrae hacia si. El alcance de un simple electrón o protón es despreciable, pero cuando todos ellos actúan al mismo tiempo, la consecuencia puede ser una fuerza importante. Si hubiera tantas partículas antigravitatorias como gravitatorias, tenderían a neutralizarse entre sí y la fuerza de la gravedad, siguiese existiendo, no fuese observable; sería excesivamente débil para evidenciarse.
 

La gravedad puede ser explicada apropiadamente únicamente como un campo. Cada partícula es surtidora de un campo gravitatorio que fluye de ella encerrándola con un invisible halo de influencia. Otra partícula introducida en este campo gravitatorio siente su fuerza. Sin embargo, el campo es una forma de hablar de la gravedad. Puede sufrir alteraciones de tipo ondulatorio. Del mismo modo que Maxwell descubrió que las ondas pueden integrarse en un campo electromagnético y viajar a través del espacio, Einstein descubrió también que las ondas pueden integrarse a un campo gravitatorio.
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2.3 Electromagnetismo
 

Si bien la gravedad fue la primera fuerza científicamente entendida, el electromagnetismo ha sido también conocida desde tiempos antiguos. Las fuerzas eléctricas se revelan visiblemente en las tormentas y en otros fenómenos atmosféricos luminosos. Las fuerzas electromagnéticas son las responsables de los complicados diseños que se observan en las auroras boreolas.
 

Al filósofo griego Tales de Mileto se atribuye la primera identificación certera de la electricidad. Descubrió que al frotar un pedazo de ámbar, éste adquiría la capacidad de atraer pequeños objetos. La palabra elektron significa en griego ámbar. Este curioso fenómeno fue estudiado con mayor profundidad por William Gilbert, médico de la reina Isabel I de Inglaterra, que mostró que muchas otras sustancias compartían las propiedades eléctricas del ámbar. Diferentes investigaciones posteriores en Inglaterra y en Europa continental demostraron que algunas sustancias actúan como aislantes. El científico francés Charles Dufay mostró que la carga eléctrica se presenta de dos variedades que actualmente llamamos positiva y negativa. Durante el siglo XVIII y principios del XIX, la electricidad llegó a ser mejor entendida gracias a los experimentos de Benjamín Franklin y Michel Faraday. Se descubrió que las cargas de igual signo se repelen y las de signo contrario se atraen, en los dos casos con una fuerza regulada por una simple fórmula matemática (ley de Coulomb): las fuerzas eléctricas disminuyen con la distancia según la misma relación de la "inversa del cuadrado" que Newton había conseguido para la gravedad. No obstante, las fuerzas eléctricas son excesivamente más grandes que las gravitatorias. A diferencia con las diminutas fuerzas gravitatorias que Cavendish había descubierto con su equipo especial, las fuerzas eléctricas entre objetos de tamaño habitual eran fácilmente observables.
 

Los estudios de Faraday insinuaron que el átomo albergaba electricidad, pero hasta que J.J. Thompson descubrió los rayos catódicos no fue sólidamente asentada la existencia del electrón. Hoy conocemos que la carga eléctrica que tienen las partículas de materia se presentan en múltiplos exactos de una unidad básica, una especie de átomo de carga. La razón de este hecho es un problema curioso. No todas las partículas, tienen carga eléctrica. El fotón y el neutrino, por ejemplo son eléctricamente neutros. En este aspecto la electricidad difiere de la gravedad. Todas las partículas de materia "obedecen" al campo gravitatorio, pero tan sólo las partículas con carga se acoplan al campo electromagnético.
 

El magnetismo natural, de la misma manera que la electricidad, fue identificado también por los griegos. En el año 600 a.d.C. estaban ya acostumbrados con las peculiaridades de las piedras imanes (óxido de hierro), que podían ejercer influencia unas sobre otras incluso a distancia. Unos 500 años más tarde, los chinos revelaron las curiosas propiedades direccionales de la piedra de imán y fabricaron la primera brújula. Su utilidad estaba reservado solamente para usos místicos. Tuvieron que pasar varios siglos antes de que las brújulas se convirtieran en un artefacto de navegación.
 

Hacia finales del siglo XVI los sabios europeos comenzaron a valorar la verdadera naturaleza del magnetismo. Gilbert probó que la propia Tierra se comportaba como un imán, con peculiaridades similares a las de un imán esférico que él mismo había fabricado. Se descubrió igualmente que el magnetismo se manifestaba en dos variedades, llamadas polo norte y sur por el magnetismo de la Tierra. Como acontece con la electricidad, los polos idénticos se repelen, mientras que los diferentes se atraen. Pero a discrepancia de la electricidad, los polos magnéticos constantemente parecen presentarse en pares, norte y sur. En una barra magnética, un extremo actuará de polo norte y el otro de polo sur. Si partimos la barra por la mitad, hallaremos nuevos polos en el punto de corte y conseguiremos dos imanes; cada uno de lo cuales con su propio polo norte y su polo sur. Por mucho que lo intentemos, no podremos aislar un sólo polo magnético, o monopolo. ¿Expresa esto que no puede haber polos magnéticos separados? Esta pregunta parece haber sido resuelta por Blas Cabrera, quien asegura haberlo detectado el 14 de febrero de 1982 en la Universidad de Stanford.
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"...Blas Cabrera, recibió un inusual regalo para el Día de los Enamorados: una señal en el detector que había instalado en el sótano de su laboratorio. El aparato estaba destinado a detectar partículas llamadas monopolos magnéticos (polos magnéticos aislados, norte o sur), consideradas verdaderas reliquias del Big Bang. Cabrera acababa de conectar, por primera vez, su nuevo y maravilloso detector superconductor. ¿Era posible que hubiese descubierto tan rápidamente la presencia de una de esas partículas elusivas? Los medios de comunicación dieron cuenta del suceso. El New York Times publicó un artículo en primera página. Cabrera se negó a admitir cámaras de televisión por temor a que "convirtieran el laboratorio en un zoológico".

Sin decidirse a indicar la señal como un verdadero monopolo, aguardó la llegada de la siguiente. Pasaron los días, las semanas y los meses. El físico de Harvard Sheldon Glashow envió a Cabrera una rima un tanto jocosa:
 

Las rosas son rojas, blancos los nardos,
Ha llegado la hora del monopolo dos. .
 

Pero el monopolo no apareció. Después de una espera de diez años, Cabrera abandonó toda esperanza."
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La fuerza entre los polos magnéticos cumple igualmente la ley de inversa del cuadrado como la electricidad y la gravedad. Así, las fuerzas eléctricas y magnéticas son de "largo alcance", y pueden detectarse a gran distancia. Por ejemplo, el campo magnético de la Tierra se propaga hasta muy lejos en el espacio. De la misma manera el Sol tiene un campo magnético que baña todo el sistema solar. Incluso hay un campo magnético galáctico.
 

A comienzos del siglo XIX se descubrió una profunda conexión entre electricidad y magnetismo. En Dinamarca, Hans Christian Oersted mostró que una corriente eléctrica produce un campo magnético a su alrededor, mientras que Faraday probó que un campo magnético cambiante origina un flujo de corriente eléctrica. Esos hallazgos del dínamo eléctrico y el generador, tan valiosos en la ingeniería contemporánea.
 

El paso concluyente fue dado por Maxwell en el año 1850, cuando juntó electricidad y magnetismo en la teoría del electromagnetismo, la primera teoría del campo unificado. La teoría de Maxwell conquistó éxito tras éxito hasta 1967, cuando tuvo lugar el siguiente gran paso hacia la unificación.
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La fuerza débil
(o fuerza nuclear hipoenergética)
 

Aunque no fue considerada entonces, la humanidad fue testigo de la fuerza débil en funcionamiento ya en 1054, cuando los astrónomos orientales descubrieron imprevistamente la aparición de una estrella fuertemente resplandeciente en una región del cielo donde antes no se divisaba nada. Esta estrella iluminó deslumbrantemente durante varias semanas, antes de desaparecer lentamente de regreso a las tinieblas. Según se cree que este resplandor de 1054 fue el estallido de una supernova, o sea, la detonación cataclismica de una estrella vieja originada por el violento colapso de su núcleo y la liberación de un enorme pulso de neutrinos. Reforzado solamente con la fuerza débil, estos neutrinos expulsaron bruscamente las capas superficiales de la estrella al espacio, provocando una nube de gases en expansión. La supernova de 1054 sigue siendo distinguible como una tenue mancha nebulosa en la constelación del Toro.
 

Las supernovas suministran una de las escasas revelaciones innegables de la fuerza débil. Es la fuerza más débil después de la gravedad, y en muchos de los sistemas donde se halla presente sus consecuencias quedan hundidas por la fuerza electromagnética o la fuerte.
 

La historia de la fuerza débil comenzó en 1896, cuando Henry Becquerel descubrió accidentalmente la radiactividad al examinar la inexplicable nebulosidad de una placa fotográfica que había dejado en una caja cerca de algunos cristales de sulfato de uranio. El análisis sistemático de las radiaciones fue iniciado por Ernest Rutherford, quien probó que de los átomos radiactivos brotaban dos tipos inconfundibles de partículas. Las denominó alfa y beta. Las alfa eran partículas pesadas y de carga eléctrica positiva que resultaron ser núcleos de helio muy veloces. Las partículas beta eran electrones a gran velocidad. Los pormenores de la radiactividad beta no fueron plenamente descifrados hasta los años 30.
 

El descubrimiento de la fuerza débil fue muy especial. A primera vista, parecía que una de las leyes primordiales de la física, la ley de la conservación de la energía, estaba siendo quebrantada. Parecía estarse perdiendo energía. Wolfgang Pauli rescató la ley proponiendo la existencia de otra partícula neutra (que nadie había detectado todavía), de alta penetración, y que se emitía junto con el electrón. Enrico Fermi nombró a la partícula invisible "neutrino" que significa "el pequeño neutro". Los neutrinos eran tan difíciles de detectar que no fueron detectados sino hasta los 50.
 

Pero no todo era evidente, los electrones y los neutrinos procedían de núcleos inestables. Y los físicos tenían pruebas innegables de que ninguna de esas partículas existía dentro del núcleo. ¿De dónde venían? Fermi postuló que los electrones y los neutrinos no existían antes de su expulsión, sino que se producían instantáneamente a partir de la energía presente en el núcleo radiactivo. La teoría de los cuantos había probado ya que la emisión y absorción de la luz se fundamentaba en la creación y aniquilación de los fotones; de acuerdo con Fermi, lo mismo podía acontecer con los electrones y neutrinos.
 

La propuesta de Fermi fue ratificada gracias al comportamiento de los neutrones libres. Abandonados a su propio destino, los neutrones se desintegran al cabo de unos minutos, produciendo como sobrantes un protón, un electrón y un neutrino. Una partícula desaparece y surgen otras tres. Pronto pareció evidente que las fuerzas conocidas no podían hacer reventar un neutrón de este modo. Otra fuerza debía causar la desintegración beta. Los cálculos del ritmo de desintegración divulgaron que la fuerza en controversia era excepcionalmente débil, mucho más débil que el electromagnetismo (aunque inmensamente más fuerte que la gravedad). La necesidad de una nueva "fuerza débil" fue finalmente admitida.

Con el hallazgo de las partículas subnucleares inestables, los físicos revelaron que la fuerza débil era la causante de bastantes otras transmutaciones. De hecho, la mayor parte de las partículas conocidas se ajustan a la fuerza débil. Para el neutrino, la acción de la fuerza débil (dejando a un lado la gravedad) es el único modo de revelar su presencia.
 

La fuerza débil no ejerce ningún empuje ni atracción en sentido técnico, A no ser en eventos tales como el estallido de una supernova. Su trabajo se restringe a regir las transmutaciones de identidad en las partículas, impulsando frecuentemente el producto resultante a considerables velocidades. Por otro lado, la acción de la fuerza débil se encuentra reducida a una región extremadamente reducida de espacio. De hecho, hasta la década de los 80 no ha sido factible calcular con exactitud el alcance de la fuerza débil. Inicialmente se pensó que su acción era puntual, restringida a una región del espacio excesivamente pequeño para ser detectado. En oposición con el largo alcance de la gravedad y el electromagnetismo, la fuerza débil pierde su influencia más allá de unos 10
-16 centímetros de su fuente. En conclusión, no puede actuar sobre cuerpos macroscópicos, sino que se encuentra restringida a partículas subatómicas.
 

Una moderna teoría, apoyada en los conceptos de Fermi pero con discrepancias cruciales fue adelantada a finales de los 60 por Steven Weinberg, que laboraba en la Universidad de Harvard, y Abdus Salam, del Imperial College de Londres. Este avance, que representó un importante logro en la senda hacia la unificación desde que Maxwell esbozó su teoría electromagnética.
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La fuerza fuerte
(o fuerza hiperenergética)
 

La presencia de una fuerza fuerte se hizo evidente a medida que se clarificaba la estructura del núcleo atómico. Algo tenía que mantener ligado los protones contra la repulsión ocasionada por la carga eléctrica (cargas del igual signo se rechazan. Y en el núcleo se encuentran protones).
 

La gravedad era demasiado débil para conseguirlo, y así hubo que recurrir a un nuevo tipo de fuerza, una fuerza muy intensa, más intensa que el electromagnetismo. Era utópico apreciar alguna pista de que esta fuerza nuclear fuera de la periferia del núcleo, de manera que la nueva fuerza debía tener un radio de operación muy reducido. De hecho, desaparece rápidamente más allá de unos 10
-13 centímetros de un protón o un neutrón. En conclusión, aunque es la más fuerte de las cuatro fuerzas de la naturaleza, no puede ser detectada directamente en los cuerpos macroscópicos.
 

Los neutrones y los protones se encuentran expuestos a la fuerza fuerte, pero los electrones y neutrinos no. Generalmente, sólo las partículas más pesadas se acoplan a la fuerza fuerte. Se muestra a la vez como una fuerza de atracción convencional que mantiene la adherencia del núcleo y también al igual que la fuerza débil, como responsable de la desintegración de algunas partículas inestables. Por su intensidad, la fuerza nuclear fuerte es la fuente de una gran energía. Posiblemente la muestra más substancial de energía liberada por la fuerza fuerte es la luz del Sol. El núcleo de del Sol y de otras estrellas son reactores nucleares de fusión bajo el control de la fuerza fuerte. También esta fuerza es la que libera energía en una bomba nuclear.
 

Los primeros investigaciones de la fuerza fuerte gozaron de un triunfo restringido. Ninguna explicación matemática sencilla parecía cabalmente satisfactoria. La fuerza no parecía cambiar con la distancia de ningún modo lógico, y los físicos nucleares trabajaban en ella se vieron forzados a implicar innumerables parámetros insostenibles. Era casi como si la fuerza fuerte fuese una mezcla de cúmulos de fuerzas con diferentes peculiaridades.
 

Mientras se combatía contra estas dificultades, a comienzos de los años 60 se plantea la teoría de los quarks (se cree que puede ser la partícula primaria). Esta teoría considera que neutrones y protones no son partículas elementales, sino cuerpos compuestos cada uno de ellos de tres quark. Naturalmente, se requiere alguna clase de fuerza para conservar ligado los tres quarks, y resultó evidente que la fuerza actúa entre protones y neutrones no era más que un sobrante de esta más poderosa fuerza interquark. Con la teoría de los quarks las singulares propiedades de la fuerza fuerte eran ahora claras. En las colisiones de un protón contra un neutrón u otro protón, participan una totalidad de seis quarks, cada uno de los cuales entra en interacción con los demás. La mayoría de la fuerza se utiliza en conservar unido cada trio de quarks, pero queda un pequeño sobrante que sirve para unir los dos trios entre si.
 

Una vez determinada la real naturaleza de la fuerza interquark, la fuerza fuerte resultó mucho más asequible de detallar matemáticamente.
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LA GRAN UNIFICACIÓN .
 

El primer tranco hacia la unificación lo dio William Clerk Maxwell al explicar los fenómenos magnéticos y eléctricos en una sola teoría electromagnética, la cual se halla expuesta de forma matemática en la denominadas ecuaciones de Maxwell.
 

Después viene Einstein, quien había demostrado que la fuerza de la gravedad era debido a la curvatura de este universo tetradimensional (espacio-tiempo), pero las fuerzas eléctricas y magnéticas aún quedaban fuera de esta victoria geométrica, éste guió toda su energía a colocar sobre el irreductible campo electromagnético un riguroso freno geométrico; pero el campo electromagnético se rehusó a ser geometrizado.
 

Durante muchos años Einstein se consagró en el estudio de la llamada "teoría del campo unificado", es decir la teoría que unificaría los campos gravitatorios y electromagnéticos sobre un fácil soporte geométrico. Constantemente, Einstein divulgaba nuevas series de fórmulas que, a su criterio, resolverían el misterio de la teoría del campo unificado. Pero constantemente resultaba que sus métodos no eran apropiados para tal propósito.
 

Uno de los biógrafos de Einstein, Carl Seeling, cuenta en su "Albert Einstein" una suceso que muestra el ingenio porfiado y sincero de éste.
 

"La tenacidad con que Einstein
-escribe el autor referido-
se oponía a los fracasos de su trabajo llamó la atención de muchos de sus contemporáneos. En 1938, al salir del Instituto, le comunicaba feliz al economista rumano David Mitrani, pues el camino hacia sus casas era el mismo: ¡Por fin he hallado la clave de la teoría del campo unificado! Y medio año después reconocía:

- En aquella ocasión me equivoqué. Mis cálculos han resultado inexactos.
- ¿Y ahora qué? -le preguntó el profesor Mitrani.
- Pues que, a pesar de todo voy a publicar el trabajo.
- ¿Para qué, si ha resultado no exacto?
- Porque quizá así podré evitar que otro loco dedique un par de años a la misma idea.[3]
 

Reflexionando en los muchos procedimientos erróneos a los que habían conducido sus conjeturas científicas, redactó al pie de una foto el siguiente pareado:
 

"La verdad ya parecía al alcance de la mano;... y no era más que una ilusión, algo vano".
 

Hubiera sido excelente que se pudiera haber conseguido, pero no se puede obligar a la naturaleza a realizar lo que no reside en su naturaleza. Por otro lado, se estaban efectuando adelantos rápidos sobre las interacciones fuerte y débil, lo cual si se intentaba conseguir una real unificación tenía que incluírseles.
 

Un posterior paso ambicioso objetivo fue dado por Steven Weinberg y Abdus Salam, en 1967. Lograron exponer la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil, de tal forma que estas dos fuerzas admitían una explicación matemática integrada de la misma forma que Maxwell había unificado la electricidad y el magnetismo.
 

Insinuaron que además del fotón existían otras tres partículas, conocidas colectivamente como bosones vectoriales masivos, que transmiten la fuerza débil. Estas partículas se conocen como W
+, W- y Zo, cada una tiene una masa de unos 100 GeV (GeV es la abreviatura de gigaelectrón-voltio, o un millón o mil millones de electrón-voltios).
 

En 1979 Weinberg-Salam fueron galardonados con el premio Nobel de Física, junto con Sheldon Glashow, de Harvard, quien había insinuado una teoría análoga de unificación de las fuerzas electromagnéticas nucleares débiles. El comité de premios Nobel se libró del riesgo de haber cometido un equívoco al descubrirse en 1983 en el CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear), el trío de partículas con masa compañera del fotón, y cuyas masas y demás atributos estaban de conformidad con las predichas por la teoría. El encargado de este hallazgo fue Carlo Rubia. Era un programa formidable. Inicialmente, no había seguridad de que los bosones W
+, W- y Zo realmente existieran. Y ¿dónde acudiría a Rubbia a extraer los miles de millones antiprotones que requería? Aunque estos son sencillos de producir en el laboratorio, resultan difíciles de retener, porque salen disparados en todos sentidos, y se pierden al contacto con las paredes de la cámara de vacío. Pero Rubbia había estudiado una propuesta del ingeniero holandés Simón van der Meer, donde exponía un sistema absolutamente nuevo, llamado enfriamiento estocástico. En teoría, el sistema permitiría reunir importantes cantidades de antiprotones en disposición para ser disparados por el túnel SPS (super sincrotón para protones). Rubbia estaba confiado de que el proyecto marcharía bien. En 1978, Rubbia y su equipo de 130 técnicos iniciaron la cacería de los bosones.
 

El 22 de enero de 1983 se oyó a Carlo Rubbia voceando a solas: "¡Parecen W; se portan como W; tienen que ser W!" En una emotiva conferencia de prensa, tres días más tarde, informó que los bosones W existían en la naturaleza. El hallazgo despejó la ruta para la averiguación de la partícula Z; por ser ésta más poco común que la W, y no tener carga eléctrica, se esperaba que fuera más intrincado de descubrir. Pero el 4 de mayo, en un laboratorio de Annecy, a 40 kilómetros del CERN la investigadora francesa Marie-Noelle Minard analizaba el informe de una colisión ocurrida en el túnel del CERN el 30 de abril y notó que se trataban de las partículas Z. Se había logrado un avance trascendental en la comprensión del mundo por el hombre. Al año siguiente Carlo Rubbia y Simón van der Meer recibieron el premio Nobel de Física.
 

Este experimento parece afirmar la teoría de acuerdo con la cual la fuerza electromagnética y la fuerza débil no son sino dos aspectos diferentes de una sola fuerza, de la que se infiere que en el universo no hay cuatro fuerzas, sino tres. (la gran trinidad).
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La teoría (de la que existen diversas interpretaciones) que explica que las fuerzas electromagnéticas, débil y fuerte se ha denominado Gran Teoría Unificadora (GTU). Todas las GTU se apoyan en un esbozo general de la Teoría Cuántica de los Campos. En este tipo de teoría, la unificación de las interacciones fundamentales se consigue de una manera muy económica y muy elegante. No obstante, a pesar del importante esfuerzo por parte de muchos físicos teóricos, no se ha descubierto la forma de expresar una teoría cuántica de campos que contenga la interacción gravitacional.
 

En los años 60 se creó un tipo de teoría diferente de la teoría cuántica de campos, en la que se postulaba que las llamadas partículas elementales estaban formadas por dos o más entidades puntuales unidas por una especie de cuerda elástica. Este tipo de cuerda tiene poca relación con las de empleo habitual; se trata de un ente matemático que posee las propiedades formales de una cuerda elástica, nada más. En ésta teoría los grados de libertad de la misma eran sencillamente postulados, no había ningún principio dinámico primordial que determinara sus propiedades. A pesar de ciertos éxitos, ésta producía más dificultades de los que solucionaba y fue, por lo tanto abandonada por la gran mayoría de físicos. Sin embargo, hace algunos años se consiguió un hallazgo excepcional. De lo que se dieron cuenta, de manera accidental, es que de la abundancia de factibles teorías de cuerdas había dos, y únicamente dos, para los cuales todas las dificultades de la teoría inicial se solucionaban de manera inmediata. Además, como si esto no fuera bastante, al corto tiempo resultó evidente que estas tesis contenían, sin más esfuerzo, una teoría cuántica consistente para el campo gravitacional y, por tanto, existía en esta una auténtica teoría unificada de todas las interacciones elementales.
 

La armonía de la Teoría de las Supercuerdas es indiscutible; sin embargos, hay unas dificultades que no soluciona: a pesar de que formalmente es consistente e incorpora todas las interacciones conocidas, es prácticamente utópico asentar las predicciones físicas de ésta, empleando los métodos matemáticos usuales. Una teoría física que no predice nada que se pueda confrontar con los resultados de un experimento posee escaso valor como tal. En la mayoría de los casos, lo mismo se podría decir de las GTU: los métodos matemáticos habituales no son lo bastante eficaces como para extraer información de la teoría que se pueda confrontar con los resultados experimentales. Por supuesto, esto no es una insuficiencia inherente a ellas, es una insuficiencia en las reglas que emplea la ciencia.
 

En la GTU el principal obstáculo de hallar una teoría que unifique la gravedad con las otras fuerzas se debe a que la relatividad general es una teoría "clásica", esto quiere decir que no afilia el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. Por otra parte, las otras teorías (electrodébil, fuerte) parciales penden de la mecánica cuántica en forma indispensable. Un primer paso obligatorio, por consiguiente, estriba en unir la relatividad general con el principio de incertidumbre. Durante algún tiempo se pensó en la existencia del problema de juntar la relatividad general y el principio de incertidumbre, pero en 1972, fue finalmente probado mediante cálculos minuciosos. Después de cuatro años se insinuó una probable explicación, llamada "Supergravedad". El plan se fundamentaba en combinar la partícula de spin 2
[4], llamado gravitón, que transporta la fuerza la fuerza gravitatoria, con ciertas partículas nuevas de spin 3/2, 1, 1/2 y 0. No obstante, los cálculos indispensables para conocer si la teoría era completamente consistente eran tan largos e intrincados que nadie estaba dispuesto para acometerlos. Se cree que, incluso a un ordenador, le tomaría por lo menos cuatro años, y había muchas posibilidades de que se incurriese al menos en un error, y posiblemente más.
 

En la actualidad existe un parecer generalizado en favor de la teoría de las Supercuerdas. Esta se creó con el fin de hallar una teoría para explicar la fuerza fuerte. El concepto se fundamentaba en que partículas como el protón y el neutrón podían ser consideradas como ondas en una cuerda. La interacción fuerte entre partículas correspondería a segmentos de cuerda que se extendían entre otros pedazos de cuerda, como una tela de araña. Para que ésta teoría suministrase el valor de lo observado para las interacciones fuertes tenían que ser como tiras de goma con una tensión de alrededor de diez mil kilogramos.
 
En 1974, Joel Scherk, de París, y John Schwarz, del Instituto de Tecnología de California, divulgaron un artículo en el que exponían que las teorías de las cuerdas podían aclarar la fuerza gravitatoria, pero sólo si la tensión en la cuerda fuese mucho más grande, alrededor de mil billones de billones de billones de toneladas (un 1 con treinta y nueve ceros). Los pronósticos de la teoría de las cuerdas serían equivalentes que los de la relatividad general a escalas de longitudes normales, pero diferían a distancias muy pequeñas, menores que una milésima de una millonésima de billonésima de billonésima de centímetro (un centímetro dividido por un 1 con treinta y tres ceros detrás). Su observación no recibió mucho apoyo, sin embargo, debido a que justo en aquel momento la mayoría de los físicos renunciaban a la teoría de cuerdas original para la interacción fuerte, en favor de la teoría de basada en los quarks y los gluones, que parecía acoplarse mucho mejor a las observaciones.
 

En 1984 John Schward y Mike Green, del Queen Mary College, de Londres, escribieron un artículo en el que se exponía que la teoría de las cuerdas podía ser útil para aclarar la presencia de partículas que tienen asociado un carácter levógiro
[5], como algunas partículas que observamos. Muy pronto un gran número de físicos comenzaron a trabajar en la teoría de cuerdas y se desarrolló una nueva versión, las denominadas "cuerdas heteroticas", que parecía que podría ser capaz de explicar los tipos de partículas que observamos.
 

Con base en los anteriores planteamientos sobre la unificación de la física surge la siguiente pregunta: ¿Se podrá construir una teoría unificada que explique totalmente el comportamiento del universo?
 

En su libro La Historia del Tiempo (1989, pág. 214) Stephen Hawking plantea tres posibilidades:
 

1.   Existe realmente una teoría unificada completa, que descubriremos algún día si somos lo suficientemente inteligentes.
2.     No existe ninguna teoría definitiva del universo, sino una sucesión infinita de teorías que describen el universo cada vez con más precisión.
3.     No hay ninguna teoría del universo; los acontecimientos no pueden predecirse más allá de cierto punto, ya que ocurren de manera aleatoria y arbitraria."
 
 
 
 
. BIBLIOGRAFIA
 
1.     JEANS, james. HISTORIA DE LA FÍSICA HASTA MEDIADOS DEL SIGLO XX. Fondo de Cultura Económica, 1986.
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     [1]Toda partícula, en virtud de su masa engendra a su alrededor un campo gravitatorio y parece razonable figurarse que cuando una partícula tiene movimiento acelerado debe crear ondas gravitatorias. En efecto, la teoría general de la relatividad predice la presencia de dichas ondas, que se mueven, además, a la velocidad de la luz.
No obstante, existen distintas dificultades para el estudio de las ondas gravitatorias. El más preponderante de ellos es su intensidad, que es mucho menor que la de las ondas electromagnéticas. En efecto, la onda gravitatoria de un protón acelerado tiene una frecuencia del orden de 10-43 en semejanza con la onda electromagnética despedidas por el mismo protón. Por ello, el efecto de una onda gravitatoria sobre una partícula es también muy pequeño y para detectarlo harían falta aparatos muy sensibles, de los que no se usan aún.
Pero si considera un cuerpo de gran extensión compuesto de un gran número de partículas, todas con aceleración, es conjeturable que se origine una onda gravitatoria de intensidad lo justo para ser detectada. Este puede ser el coso de una estrella que está experimentando una contracción gravitatoria, situación que se presenta en muchas de ellas una vez que han agotado su combustible nuclear. La conservación del momentum angular hace que, durante su contracción, la estrella tenga un movimiento de rotación acelerado. Estos dos efectos combinados producen aceleraciones en todas sus partículas componentes, especialmente las más próximas a la superficie, y, por tanto, la estrella debe ser una fuente de ondas gravitatorias. Así mismo, una estrella neutrónica oscilante, o sea, una estrella compuesta principalmente de neutrones, debe también emitir ondas gravitatorias.
Para detectar las ondas gravitatorias se emplea un sólido de gran masa. Se supone que las ondas gravitatorias, al ser absorbidas por el sólido, producen en el mismo oscilaciones con frecuencias de algunos que kHz. Los experimentos más cuidadosos para revelar las ondas gravitatorias han sido realizados en los Estados Unidos durante los últimos 30 años empleando dos detectores, uno situado en la universidad de Maryland cerca de la ciudad de Washington, y el otro a 960 kilómetros de distancia, en el laboratorio de Argonne, cercano a la ciudad de Chicago con el propósito de detectar ondas gravitatorias que arriben simultáneamente a ambas estaciones. Las resoluciones experimentales parecen señalar la presencia de ondas gravitatorias provenientes de una dirección que pasa por el centro de la galaxia. Si intensidad es del orden que resultaría de transformar anualmente en energía radiante una masa igual a mil veces la masa del Sol.
Otra complicación adicional es que las ondas gravitatorias no están constituidas como las electromagnéticas, que corresponden a dos campo vectoriales oscilantes, el electrónico y el magnético, sino que tienen una estructura más compleja. Cabe terminar que la presencia de las ondas gravitatorias ha sido plenamente probada.
 
     [2]George Smmot y Keay Davidson, "Arrugas en el tiempo",Circulo de Lectores.1994,p. 215
     [3]Tomado de CAMINOS ABIERTOS -Albert Einstein- Editorial Norma, pág. 209
     [4]Todos los electrones tienen una cantidad de movimiento angular de "spin" característica con respecto a cierto eje. Aún cuando este modelo de partícula giratoria es demasiado mecanicista y no está de acuerdo con la física cuántica moderna, sigue siendo cierto que los momentos de dipolo magnético de las partículas elementales libres están íntimamente relacionados con sus cantidades de movimiento angular intrínsecas, o "spins". Aquellas partículas y núcleos que tienen una cantidad de movimiento angular de "spin" cero no tienen momento de dipolo magnético.
     [5]Son compuestos o sustancias que desvían el plano de polarización de la luz a la izquierda, propio de los cuerpos qué poseen en su molécula un carbono asimétrico