El Modelo Estándar y las teorías de unificación de campos

Publicado por: María del Carmen Parra Montero
El Modelo Estándar de física de partículas
A partir de los años 30 del siglo pasado, las investigaciones, descubrimientos y teorías propuestas por una gran cantidad de físicos han permitido comprender la estructura fundamental de la materia y concluir que todo en el universo está constituido por unas pocas unidades básicas llamadas partículas fundamentales, gobernadas por las cuatro fuerzas fundamentales que se analizan en este proyecto.

Las conclusiones sobre cómo estas partículas y tres de estas fuerzas están relacionadas entre sí están recopiladas en el Modelo Estándar de física de partículas, que fue desarrollado en la década de 1970. Este modelo explica con éxito casi todos los resultados experimentales y ha logrado predecir con precisión muchos fenómenos que se dan en la naturaleza.

El Modelo Estándar incluye las fuerzas electromagnéticas, las fuerzas fuertes y débiles y todas sus partículas mediadoras, y explica bien cómo estas fuerzas actúan sobre todas las partículas de la materia. Sin embargo, la gravedad, la fuerza con la que el ser humano está más familiarizado, debido a su acción en la vida cotidiana, no es parte del Modelo Estándar.

La teoría cuántica que describe el micro mundo y la teoría general de la relatividad que describe el mundo macro, son difíciles de encuadrar en un marco único. Ningún ser humano ha logrado determinar su compatibilidad dentro del Modelo Estándar. Esto no ha sido un impedimento para que, hoy por hoy, este modelo sea válido universalmente, ya que el efecto de la gravedad es insignificante a escala minúscula y solamente, cuando se trata de objetos a gran escala como, por ejemplo, el cuerpo humano, o a escala de los planetas, es que el efecto de la gravedad se hace patente (Román, 1997).

Aunque el Modelo Estándar describe con precisión los fenómenos que están dentro de su dominio, todavía es un modelo incompleto y, tal vez, este sea parte de algo más complejo que incluya una nueva rama de la física escondida en lo profundo del mundo subatómico o en algún lugar oscuro del universo.

Las partículas mediadoras de las fuerzas contempladas dentro del Modelo Estándar, son objeto de estudio de los físicos en todo el mundo, pero especialmente en el CERN. 

En el siguiente video (en inglés) se puede ver un resumen de la historia del CERN y del Modelo Estándar de la física de partículas:

Las teorías de unificación de campos:

Las investigaciones actuales en física apuntan a unificar la teoría cuántica y la teoría de la relatividad en una sola teoría. Esta teoría necesitaría dar una explicación completa de las cuatro fuerzas fundamentales que operan a nivel subatómico: el electromagnetismo, la gravedad, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil.

De acuerdo con Ram (2013) el principio atómico de Demócrito, en el año 400 aC, se puede considerar como la primera teoría unificadora de la ciencia. Posteriormente, la teoría de la gravedad de Isaac Newton, se constituyó en el primer gran éxito en la unificación, en un marco matemático preciso, de las leyes que rigen el movimiento. A este le seguiría, en 1820, Hans Christian Oersted, quien descubrió que las corrientes eléctricas ejercían fuerzas sobre imanes, mientras que en 1831, Michael Faraday hizo la observación de que los campos magnéticos variables en el tiempo podrían inducir corrientes eléctricas.

En 1864, Maxwell publicó su famoso documento sobre la teoría dinámica de campo electromagnético. Este fue el primer ejemplo de una teoría capaz de abarcar anteriores teorías de campo separadas, a saber, electricidad y magnetismo, para proporcionar una teoría unificado del electromagnetismo. Entre las consecuencias más importantes de esta teoría estuvo el posterior descubrimiento de las ondas electromagnéticas y la demostración de que la luz tiene, también, una naturaleza ondulatoria, lo que vino a unificar la óptica con el electromagnetismo (Beléndez, 2015).

Para el año 1900, las tres grandes ramas de la física, la electricidad, el electromagnetismo y la óptica, se habían fusionado en una sola teoría unificada.

Seguidamente, Albert Einstein en 1946, formuló con éxito la teoría general de la relatividad que unificó la geometría del espacio con la gravitación.

El desarrollo de la mecánica cuántica en la década de 1920 y durante todo el Siglo XX permitió unificar la química y la física atómica. En la segunda mitad del Siglo XX, los fisicos unificaron con éxito la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil con la interacción electromagnética dando lugar al Modelo Estándar de física de partículas explicado con detalle en la sección anterior (Laszlo, 2008).

Más allá del Modelo Estándar se han propuesto otras teorías como por ejemplo, la de la Super Simetría, la cual propone que "las partículas y los campos del mundo cuántico poseen, además de sus propiedades dinámicas, ciertas simetrías que facilitan la comprensión de lo que sucede en ese nivel de la realidad. Las tres simetrías fundamentales están relacionadas con el espacio, el tiempo y la antimateria" (Hacyan, 1994, p. 62).

Por otra parte, los estudios teóricos abarcan la búsqueda de la denominada "Teoría del Todo", el término acuñado para una gran teoría que "unifique todas las leyes de la naturaleza en una única proposición, la cual pondría de manifiesto la inevitabilidad de todo lo que fue, es y será el mundo físico" (Barrow, 2009, p. 9) y en cuyo posible descubrimiento trabajo Albert Einstein hacia el final de sus días.

La más conocida de estas teorías es la Teoría de Cuerdas que considera a las partículas como un "pequeño bucle vibratorio infinitesimal de cuerdas en diez dimensiones" (Ram, 2013, p. 90). Esta teoría ha ido evolucionando en los últimos años hasta convertirse en la Teoría de la Membrana o Teoría M, la cual considera que todo el universo existe "en objetos extendidos similares a membranas con dos y cinco dimensiones espaciales y que conviven en un universo con once dimensiones de espacio-tiempo (diez de espacio y una de tiempo) (Duff, 2013, p. 184).

A través de los siguientes videos será posible conocer, en mayor detalle, de qué se trata la Teoría de Cuerdas y la Teoría M:

String Theory Explained – What is The True Nature of Reality?

(subtitulado en español)

La teoría M

Igualmente, en el siguiente recurso didáctico se podrá realizar un recorrido interactivo por los mecanismos internos del átomo y las herramientas para su descubrimiento: