Unificacion Fisica

La historia de la unificación de la Física

Viernes, 26 septiembre 2008 por qbit

Índice.

Introducción.

1. Relatividad y mecánica clásica.

2. Electromagnetismo.

3. Relatividad especial, general y mecánica relativista.

4. Mecánica cuántica.

5. Modelo Electrodébil.

6. Modelo Estándar.

7. Intentos de unificación completa.

Introducción.

Considero que Galileo y Newton fueron los que dieron comienzo a la Físicapropiamente dicha. Desde entonces, esta rama de la ciencia ha seguido un proceso de acumulación de conocimientos con el objetivo de unificar todo el conocimiento en una única teoría que lo explique todo. Cada salto cualitativo en la Física ha venido acompañado de su respectivo salto en las Matemáticas.

Hay que observar que este proceso se ha realizado generalizando teorías anteriores, y es que, en efecto, las antiguas teorías, aunque no sirven para explicar fenómenos nuevos, sí funcionan muy bien para aquéllo para lo que fueron realizadas, por lo que su sustitución lógica consiste en obtener una nueva teoría que generalice la anterior, haciendo que la antigua teoría sea un caso particular de la nueva teoría más general. Estos saltos cualitativos se producen cuando previamente se han adquirido muchos conocimientos, observando problemas en la vieja teoría, haciendo que la “fruta” esté madura para caer del árbol.

He intentado mostrar cuáles son los principales hitos históricos en ese proceso de unificación de la Física, o lo que es lo mismo, de la historia de la Física:

1. Relatividad y mecánica clásica.

Johannes Kepler (1571-1630) describió por primera vez el movimiento de los planetas con sus leyes de Kepler.

Johannes Kepler

Galileo Galilei (1564-1642) reflexionó sobre el movimiento de los cuerpos, estableciendo lo que se puede considerar la relatividad clásica o de Galileo.

Galileo Galilei retratado por Leoni

Isaac Newton (1643-1727) en su obra “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” estableció las tres leyes de Newton del movimiento, basándose en la relatividad de Galileo, estableciendo así la base de la mecánica clásica, así como la ley de Gravitación Universal. Con las leyes de Newton y la ley de la Gravitación Universal, se pueden deducir y explicar las Leyes de Kepler.

Isaac Newton en 1702, por G. Kneller

La mecánica clásica fue un gran adelanto para explicar el funcionamiento del mundo macroscópico y de velocidades mucho menores que la de la luz, esto es, para explicar los fenómenos cotidianos y el movimiento planetario.

Newton y Gottfried Leibniz (1646-1716) descubrieron (de manera independiente ambos) el cálculo integral y diferencial. En la actualidad se emplea la notación de Leibniz.

Gottfried Wilhelm von Leibniz

2. Electromagnetismo.

James Clerk Maxwell (1831-1879) unificó todo el conocimiento sobre electricidad, magnetismo y óptica realizado en el pasado por Ampere, Coulomb, Faraday, Gauss y otros, con sus cuatro ecuaciones de Maxwell en 1864. Estas ecuaciones describen todos los fenómenos electromagnéticos, unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético.

James Clerk Maxwell

Matemáticamente, produzco la aparición de teorías de campo de gauge.

Un hecho llamativo de esta teoría es que predice la velocidad de la luz en el vacío.

3. Relatividad especial, general y mecánica relativista.

Las ecuaciones de Maxwell sin embargo, entraban en conflicto con la mecánica clásica. Para compatibilizarlas, los científicos se vieron en la necesidad de inventar extraños conceptos artificiales como el éter que mantuvieran vigente la idea del movimiento absoluto. Finalmente, Albert Einstein (1879-1955) enunció la Teoría Especial de la Relatividad, (1905), que generalizaba la relatividad de Galileo, y con ella, surgió la mecánica relativista, que amplía a la mecánica clásica en la explicación de los fenómenos de velocidades cercanas a la de la luz.

Albert Einstein en 1921

Con la Teoría General de la Relatividad, (1915), una teoría de gravitación que cumple la Teoría Especial de la Relatividad, generalizó la ley de la Gravitación Universal de Newton, proporcionando una interpretación geométrica del campo gravitatorio.

Hechos llamativo son la relativización del tiempo y el espacio, la absolutización de las leyes fundamentales, la equivalencia masa-energía (E=mc^2) o el Principio de Equivalencia.

4. Mecánica cuántica.

La mecánica cuántica se inició con Max Planck (1858-1947), y recibió contribuciones importantes de: De Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Bohr, etc. La mecánica cuántica explica los fenómenos de lo muy pequeño (átomos y partículas subatómicas), siempre que su velocidad no se acerque a la de la luz.

Max Planck en 1929:

La mecánica cuántica descubrió que además de las dos fuerzas o interacciones fundamentales conocidas, (electromagnetismo y gravedad), existían otras dos más: interacciones nucleares fuerte y débil.

Hechos llamativos de la mecánica cuántica son: la dualidad onda-partícula, la cuantización de la energía y el principio de incertidumbre.

La Teoría Cuántica de Campos pretende cuantizar los campos continuos, y fue desarrollada entre finales de los años 1920 y 1950 por Dirac, Pauli, Feynman, etc. Un ejemplo es la electrodinámica cuántica (teoría cuántica del campo electromagnético).

5. Modelo Electrodébil.

El Modelo Electrodébil unifica el electromagnetismo y la interacción nuclear débil, dos de las cuatro fuerzas fundamentales. Muestra que el electromagnetismo y la interacción nuclear débil son en realidad una única fuerza a altísimas temperaturas, que se muestran como distintas a las temperaturas del mundo cotidiano. El modelo electrodébil fue desarrollado en los años 1960 porGlashow, Salam y Weinberg.

6. Modelo Estándar.

El Modelo Estándar de la Física de partículas es una teoría cuántica de campos que explica (pero no unifica) tres de las cuatro interacciones fundamentales (electromagnetismo, interacción nuclear fuerte e interacción nuclear débil), dejando solamente a la gravedad fuera. Fue desarrollada en los años 70 del siglo XX, y es consistente con la mecánica cuántica y la relatividad especial.

El Modelo Estándar describe todas las partículas basándose en partículas fundamentales de materia (6 quarks, 6 leptones y sus antipartículas), y partículas portadoras de fuerzas (como el fotón).

7. Intentos de

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