En física , las interacciones fundamentales o fuerzas fundamentales son las interacciones que no parecen reducibles a interacciones más básicas. Se sabe que existen cuatro interacciones fundamentales: [1]
Las interacciones gravitacionales y electromagnéticas producen fuerzas de largo alcance cuyos efectos pueden verse directamente en la vida cotidiana. Las interacciones fuertes y débiles producen fuerzas a distancias subatómicas minúsculas y gobiernan las interacciones nucleares dentro de los átomos .
Algunos científicos plantean la hipótesis de que podría existir una quinta fuerza , pero estas hipótesis siguen siendo especulativas. Es posible, sin embargo, que la quinta fuerza sea una combinación de las cuatro fuerzas anteriores en forma de campo escalar; como el campo de Higgs . [2] [3] [4]
Cada una de las interacciones fundamentales conocidas se puede describir matemáticamente como un campo . La fuerza gravitacional se atribuye a la curvatura del espacio-tiempo , descrita por la teoría general de la relatividad de Einstein . Los otros tres son campos cuánticos discretos y sus interacciones están mediadas por partículas elementales descritas por el Modelo Estándar de física de partículas . [5]
Dentro del Modelo Estándar, la interacción fuerte es llevada a cabo por una partícula llamada gluón y es responsable de que los quarks se unan para formar hadrones , como protones y neutrones . Como efecto residual, crea la fuerza nuclear que une estas últimas partículas para formar núcleos atómicos . La interacción débil es llevada a cabo por partículas llamadas bosones W y Z , y también actúa sobre el núcleo de los átomos , mediando la desintegración radiactiva . La fuerza electromagnética, transportada por el fotón , crea campos eléctricos y magnéticos , que son responsables de la atracción entre los electrones orbitales y los núcleos atómicos que mantiene unidos a los átomos, así como de los enlaces químicos y las ondas electromagnéticas , incluida la luz visible , y forma la base de Tecnología eléctrica. Aunque la fuerza electromagnética es mucho más fuerte que la gravedad, tiende a anularse dentro de los objetos grandes, por lo que en distancias grandes (astronómicas) la gravedad tiende a ser la fuerza dominante y es responsable de mantener unidas las estructuras de gran escala del universo, como como planetas, estrellas y galaxias.
Muchos físicos teóricos creen que estas fuerzas fundamentales están relacionadas y unificadas en una sola fuerza de energías muy altas en una escala minúscula, la escala de Planck , [6] pero los aceleradores de partículas no pueden producir las enormes energías necesarias para probar esto experimentalmente. Diseñar un marco teórico común que explique la relación entre las fuerzas en una sola teoría es quizás el mayor objetivo de los físicos teóricos de hoy . Las fuerzas débil y electromagnética ya se han unificado con la teoría electrodébil de Sheldon Glashow , Abdus Salam y Steven Weinberg , por la que recibieron el Premio Nobel de Física en 1979. [7] [8] [9] Algunos físicos buscan unir los campos electrodébil y fuerte dentro de lo que se llama una Gran Teoría Unificada (GUT). Un desafío aún mayor es encontrar una manera de cuantificar el campo gravitacional, lo que daría como resultado una teoría de la gravedad cuántica (QG) que uniría la gravedad en un marco teórico común con las otras tres fuerzas. Algunas teorías, en particular la teoría de cuerdas , buscan tanto QG como GUT dentro de un marco, unificando las cuatro interacciones fundamentales junto con la generación masiva dentro de una teoría del todo (ToE).
En su teoría de 1687, Isaac Newton postuló el espacio como una estructura física infinita e inalterable que existe antes, dentro y alrededor de todos los objetos mientras sus estados y relaciones se desarrollan a un ritmo constante en todas partes, por lo tanto, el espacio y el tiempo absolutos . Al inferir que todos los objetos con masa se acercan a una velocidad constante, pero chocan por impacto proporcional a sus masas, Newton infirió que la materia exhibe una fuerza de atracción. Su ley de gravitación universal implicaba que había una interacción instantánea entre todos los objetos. [10] [11] Tal como se interpreta convencionalmente, la teoría del movimiento de Newton modeló una fuerza central sin un medio de comunicación. [12] [13] Así, la teoría de Newton violó la tradición, que se remontaba a Descartes , de que no debería haber acción a distancia . [14] Por el contrario, durante la década de 1820, al explicar el magnetismo, Michael Faraday infirió un campo que llenaba el espacio y transmitía esa fuerza. Faraday conjeturó que, en última instancia, todas las fuerzas se unificarían en una sola. [15]
En 1873, James Clerk Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo como efectos de un campo electromagnético cuya tercera consecuencia fue la luz, viajando a velocidad constante en el vacío. Si su teoría del campo electromagnético fuera cierta en todos los sistemas de referencia inerciales , esto contradeciría la teoría del movimiento de Newton, que se basaba en la relatividad galileana . [16] Si, en cambio, su teoría de campo solo se aplicara a sistemas de referencia en reposo relativos a un éter luminífero mecánico (que se supone llena todo el espacio, ya sea dentro de la materia o en el vacío, y que manifiesta el campo electromagnético), entonces podría reconciliarse con la relatividad galileana. y las leyes de Newton. (Sin embargo, tal "éter de Maxwell" fue refutado más tarde; de hecho, las leyes de Newton tuvieron que ser reemplazadas.) [17]
El modelo estándar de física de partículas se desarrolló a lo largo de la segunda mitad del siglo XX. En el Modelo Estándar, las interacciones electromagnéticas, fuertes y débiles se asocian con partículas elementales , cuyos comportamientos están modelados en la mecánica cuántica (QM). Para lograr un éxito predictivo con los resultados probabilísticos de QM , la física de partículas modela convencionalmente eventos de QM en un campo establecido según la relatividad especial , en conjunto la teoría cuántica de campos relativista (QFT). [18] Las partículas de fuerza, llamadas bosones calibre ( portadoras de fuerza o partículas mensajeras de campos subyacentes), interactúan con partículas de materia, llamadas fermiones . La materia cotidiana son átomos, compuestos de tres tipos de fermiones: quarks arriba y quarks abajo , que constituyen, además de los electrones que orbitan, el núcleo del átomo. Los átomos interactúan, forman moléculas y manifiestan otras propiedades a través de interacciones electromagnéticas entre sus electrones que absorben y emiten fotones, el portador de fuerza del campo electromagnético, que, si no se les impide, atraviesan distancias potencialmente infinitas. La QFT del electromagnetismo es la electrodinámica cuántica (QED).
Los portadores de fuerza de la interacción débil son los bosones masivos W y Z. La teoría electrodébil (EWT) cubre tanto el electromagnetismo como la interacción débil. A las altas temperaturas poco después del Big Bang , la interacción débil, la interacción electromagnética y el bosón de Higgs fueron originalmente componentes mezclados de un conjunto diferente de antiguos campos de ruptura presimétrica. A medida que el universo primitivo se enfrió, estos campos se dividieron en la interacción electromagnética de largo alcance, la interacción débil de corto alcance y el bosón de Higgs. En el mecanismo de Higgs , el campo de Higgs manifiesta bosones de Higgs que interactúan con algunas partículas cuánticas de una manera que les da masa. La interacción fuerte, cuyo portador de fuerza es el gluón , que recorre una distancia minúscula entre los quarks, se modela en cromodinámica cuántica (QCD). EWT, QCD y el mecanismo de Higgs comprenden el modelo estándar (SM) de física de partículas . Las predicciones generalmente se hacen utilizando métodos de aproximación computacional, aunque dicha teoría de perturbaciones es inadecuada para modelar algunas observaciones experimentales (por ejemplo, estados ligados y solitones ). Aun así, los físicos aceptan ampliamente el modelo estándar como la teoría científica más confirmada experimentalmente.
Más allá del Modelo Estándar , algunos teóricos trabajan para unir las interacciones electrodébiles y fuertes dentro de una Gran Teoría Unificada [19] (GUT). Algunos intentos de GUT plantean la hipótesis de partículas "sombra", de modo que cada partícula de materia conocida se asocia con una partícula de fuerza no descubierta , y viceversa, completamente supersimetría (SUSY). Otros teóricos buscan cuantificar el campo gravitacional mediante el modelado del comportamiento de su hipotético portador de fuerza, el gravitón , y lograr la gravedad cuántica (QG). Un enfoque de QG es la gravedad cuántica de bucles (LQG). Otros teóricos buscan tanto QG como GUT dentro de un marco, reduciendo las cuatro interacciones fundamentales a una Teoría del Todo (ToE). El objetivo más frecuente en una ToE es la teoría de cuerdas , aunque para modelar las partículas de materia , añadió SUSY a las partículas de fuerza , y así, estrictamente hablando, se convirtió en la teoría de supercuerdas . Múltiples teorías de supercuerdas , aparentemente dispares, se unificaron en una columna vertebral, la teoría M. Las teorías más allá del modelo estándar siguen siendo altamente especulativas y carecen de un gran apoyo experimental.
En el modelo conceptual de interacciones fundamentales, la materia está formada por fermiones , que portan propiedades llamadas cargas y giran ± 1 ⁄ 2 ( momento angular intrínseco ± ħ ⁄ 2 , donde ħ es la constante de Planck reducida ). Se atraen o se repelen intercambiando bosones .
La interacción de cualquier par de fermiones en la teoría de perturbaciones se puede modelar así:
El intercambio de bosones siempre transporta energía y momento entre los fermiones, cambiando así su velocidad y dirección. El intercambio también puede transportar una carga entre los fermiones, cambiando las cargas de los fermiones en el proceso (por ejemplo, convertirlos de un tipo de fermión a otro). Dado que los bosones transportan una unidad de momento angular, la dirección de giro del fermión cambiará de + 1 ⁄ 2 a − 1 ⁄ 2 (o viceversa) durante dicho intercambio (en unidades de la constante de Planck reducida ). Dado que tales interacciones dan como resultado un cambio en el impulso, pueden dar lugar a fuerzas newtonianas clásicas . En mecánica cuántica, los físicos suelen utilizar los términos "fuerza" e "interacción" indistintamente; por ejemplo, la interacción débil a veces se denomina "fuerza débil".
Según el entendimiento actual, existen cuatro interacciones o fuerzas fundamentales: la gravitación , el electromagnetismo, la interacción débil y la interacción fuerte. Su magnitud y comportamiento varían mucho, como se describe en la siguiente tabla. La física moderna intenta explicar cada fenómeno físico observado mediante estas interacciones fundamentales. Además, se considera deseable reducir el número de diferentes tipos de interacción. Dos casos concretos son la unificación de:
Tanto la magnitud ("fuerza relativa") como el "rango" del potencial asociado, tal como se indican en la tabla, sólo tienen significado dentro de un marco teórico bastante complejo. La siguiente tabla enumera las propiedades de un esquema conceptual que sigue siendo objeto de investigación en curso.
La visión moderna (perturbativa) de la mecánica cuántica de las fuerzas fundamentales distintas de la gravedad es que las partículas de materia ( fermiones ) no interactúan directamente entre sí, sino que llevan una carga e intercambian partículas virtuales ( bosones de calibre ), que son la interacción. portadores o mediadores de fuerza. Por ejemplo, los fotones median en la interacción de cargas eléctricas y los gluones median en la interacción de cargas de color . La teoría completa incluye perturbaciones más allá del simple intercambio de bosones por fermiones; Estas perturbaciones adicionales pueden involucrar bosones que intercambian fermiones, así como la creación o destrucción de partículas: consulte los diagramas de Feynman para ver ejemplos.
La gravitación es la más débil de las cuatro interacciones a escala atómica, donde dominan las interacciones electromagnéticas.
La gravitación es la más importante de las cuatro fuerzas fundamentales para los objetos astronómicos a distancias astronómicas por dos razones. En primer lugar, la gravitación tiene un alcance efectivo infinito, como el electromagnetismo, pero a diferencia de las interacciones fuertes y débiles. En segundo lugar, la gravedad siempre atrae y nunca repele; por el contrario, los cuerpos astronómicos tienden hacia una carga eléctrica neta casi neutra, de modo que la atracción hacia un tipo de carga y la repulsión por la carga opuesta se anulan entre sí. [22]
Aunque el electromagnetismo es mucho más fuerte que la gravitación, la atracción electrostática no es relevante para los cuerpos celestes grandes, como planetas, estrellas y galaxias, simplemente porque dichos cuerpos contienen igual número de protones y electrones y, por lo tanto, tienen una carga eléctrica neta de cero. Nada "cancela" la gravedad, ya que ésta es sólo atractiva, a diferencia de las fuerzas eléctricas que pueden ser atractivas o repulsivas. Por otro lado, todos los objetos que tienen masa están sujetos a la fuerza gravitacional, que sólo atrae. Por lo tanto, en la estructura a gran escala del universo sólo importa la gravitación.
El largo alcance de la gravitación la hace responsable de fenómenos de gran escala como la estructura de las galaxias y los agujeros negros y, al ser sólo atractiva, retarda la expansión del universo . La gravitación también explica fenómenos astronómicos a escalas más modestas, como las órbitas planetarias , así como la experiencia cotidiana: los objetos caen; Los objetos pesados actúan como si estuvieran pegados al suelo y los animales sólo pueden saltar hasta cierto punto.
La gravitación fue la primera interacción descrita matemáticamente. En la antigüedad, Aristóteles planteó la hipótesis de que objetos de diferentes masas caían a diferentes velocidades. Durante la Revolución Científica , Galileo Galilei determinó experimentalmente que esta hipótesis era errónea bajo ciertas circunstancias: despreciando la fricción debida a la resistencia del aire y las fuerzas de flotabilidad si hay una atmósfera presente (por ejemplo, el caso de un globo lleno de aire que se deja caer versus un globo lleno de agua). ), todos los objetos aceleran hacia la Tierra a la misma velocidad. La ley de Gravitación Universal de Isaac Newton (1687) fue una buena aproximación del comportamiento de la gravitación. La comprensión actual de la gravitación proviene de la Teoría General de la Relatividad de Einstein de 1915, una descripción más precisa (especialmente para masas y distancias cosmológicas ) de la gravitación en términos de la geometría del espacio-tiempo .
Fusionar la relatividad general y la mecánica cuántica (o teoría cuántica de campos ) en una teoría más general de la gravedad cuántica es un área de investigación activa. Se plantea la hipótesis de que la gravitación está mediada por una partícula de espín-2 sin masa llamada gravitón .
Aunque la relatividad general ha sido confirmada experimentalmente (al menos para campos débiles, es decir, no para agujeros negros) en todas las escalas excepto en las más pequeñas, existen alternativas a la relatividad general . Estas teorías deben reducirse a la relatividad general en algún límite, y el objetivo del trabajo de observación es establecer límites sobre las desviaciones posibles de la relatividad general.
Las dimensiones adicionales propuestas podrían explicar por qué la fuerza de gravedad es tan débil. [23]
El electromagnetismo y la interacción débil parecen ser muy diferentes a bajas energías cotidianas. Se pueden modelar utilizando dos teorías diferentes. Sin embargo, por encima de la energía de unificación, del orden de 100 GeV , se fusionarían en una única fuerza electrodébil.
La teoría electrodébil es muy importante para la cosmología moderna , particularmente sobre cómo evolucionó el universo . Esto se debe a que poco después del Big Bang, cuando la temperatura todavía estaba por encima de aproximadamente 10 15 K , la fuerza electromagnética y la fuerza débil todavía estaban fusionadas como una fuerza electrodébil combinada.
Por sus contribuciones a la unificación de la interacción débil y electromagnética entre partículas elementales , Abdus Salam, Sheldon Glashow y Steven Weinberg recibieron el Premio Nobel de Física en 1979. [24] [25]
El electromagnetismo es la fuerza que actúa entre partículas cargadas eléctricamente . Este fenómeno incluye la fuerza electrostática que actúa entre partículas cargadas en reposo y el efecto combinado de fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre partículas cargadas que se mueven entre sí.
El electromagnetismo tiene un alcance infinito como la gravedad, pero es mucho más fuerte que ella y, por lo tanto, describe varios fenómenos macroscópicos de la experiencia cotidiana, como la fricción , el arco iris , los rayos y todos los dispositivos fabricados por el hombre que utilizan corriente eléctrica , como la televisión, los láseres y las computadoras. . El electromagnetismo determina fundamentalmente todas las propiedades macroscópicas y muchas de nivel atómico de los elementos químicos , incluidos todos los enlaces químicos .
En una jarra de agua de cuatro kilogramos (~1 galón), hay
de carga total de electrones. Así, si colocamos dos de estas jarras a una distancia de un metro, los electrones de una de las jarras repelen a los de la otra jarra con una fuerza de
Esta fuerza es muchas veces mayor que el peso del planeta Tierra. Los núcleos atómicos de una jarra también repelen a los de la otra con la misma fuerza. Sin embargo, estas fuerzas repulsivas se cancelan por la atracción de los electrones de la jarra A con los núcleos de la jarra B y la atracción de los núcleos de la jarra A con los electrones de la jarra B, lo que no produce fuerza neta. Las fuerzas electromagnéticas son tremendamente más fuertes que la gravedad, pero se anulan de modo que en los cuerpos grandes domina la gravedad.
Los fenómenos eléctricos y magnéticos se han observado desde la antigüedad, pero no fue hasta el siglo XIX que James Clerk Maxwell descubrió que la electricidad y el magnetismo son dos aspectos de la misma interacción fundamental. En 1864, las ecuaciones de Maxwell habían cuantificado rigurosamente esta interacción unificada. La teoría de Maxwell, reformulada mediante el cálculo vectorial , es la teoría clásica del electromagnetismo, adecuada para la mayoría de fines tecnológicos.
La velocidad constante de la luz en el vacío (habitualmente indicada con la letra c minúscula ) se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell, que son coherentes con la teoría de la relatividad especial. Sin embargo, la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein de 1905 , que se deriva de la observación de que la velocidad de la luz es constante sin importar qué tan rápido se mueva el observador, demostró que el resultado teórico implícito en las ecuaciones de Maxwell tiene profundas implicaciones mucho más allá del electromagnetismo en la Tierra. naturaleza misma del tiempo y el espacio.
En otro trabajo que se apartó del electromagnetismo clásico, Einstein también explicó el efecto fotoeléctrico utilizando el descubrimiento de Max Planck de que la luz se transmitía en "cuantos" de contenido energético específico basado en la frecuencia, que ahora llamamos fotones . A partir de 1927, Paul Dirac combinó la mecánica cuántica con la teoría relativista del electromagnetismo . Trabajos posteriores en la década de 1940, de Richard Feynman , Freeman Dyson , Julian Schwinger y Sin-Itiro Tomonaga , completaron esta teoría, que ahora se llama electrodinámica cuántica , la teoría revisada del electromagnetismo. La electrodinámica cuántica y la mecánica cuántica proporcionan una base teórica para el comportamiento electromagnético como el túnel cuántico , en el que un cierto porcentaje de partículas cargadas eléctricamente se mueven de maneras que serían imposibles según la teoría electromagnética clásica, que es necesaria para que los dispositivos electrónicos cotidianos, como los transistores, funcionen. función.
La interacción débil o fuerza nuclear débil es responsable de algunos fenómenos nucleares como la desintegración beta . Ahora se entiende que el electromagnetismo y la fuerza débil son dos aspectos de una interacción electrodébil unificada ; este descubrimiento fue el primer paso hacia la teoría unificada conocida como Modelo Estándar . En la teoría de la interacción electrodébil, los portadores de la fuerza débil son los bosones de calibre masivos llamados bosones W y Z. La interacción débil es la única interacción conocida que no conserva la paridad ; es asimétrico de izquierda a derecha. La interacción débil incluso viola la simetría CP pero conserva CPT .
La interacción fuerte , o fuerza nuclear fuerte , es la interacción más complicada, principalmente por la forma en que varía con la distancia. La fuerza nuclear es poderosamente atractiva entre nucleones a distancias de aproximadamente 1 femtómetro (fm, o 10 −15 metros), pero disminuye rápidamente hasta llegar a la insignificancia a distancias superiores a aproximadamente 2,5 fm. A distancias inferiores a 0,7 fm, la fuerza nuclear se vuelve repulsiva. Este componente repulsivo es responsable del tamaño físico de los núcleos, ya que los nucleones no pueden acercarse más de lo que permite la fuerza.
Después de que se descubrió el núcleo en 1908, quedó claro que se necesitaba una nueva fuerza, hoy conocida como fuerza nuclear, para superar la repulsión electrostática , una manifestación del electromagnetismo, de los protones cargados positivamente. De lo contrario, el núcleo no podría existir. Además, la fuerza tenía que ser lo suficientemente fuerte como para comprimir los protones en un volumen cuyo diámetro es de aproximadamente 10 −15 m , mucho más pequeño que el del átomo completo. A partir del corto alcance de esta fuerza, Hideki Yukawa predijo que estaba asociada con una partícula de fuerza masiva, cuya masa es de aproximadamente 100 MeV.
El descubrimiento del pión en 1947 marcó el comienzo de la era moderna de la física de partículas. Entre los años 1940 y 1960 se descubrieron cientos de hadrones y se desarrolló una teoría extremadamente complicada de los hadrones como partículas que interactúan fuertemente. Más destacado:
Si bien cada uno de estos enfoques ofreció ideas, ninguno condujo directamente a una teoría fundamental.
Murray Gell-Mann, junto con George Zweig, propusieron por primera vez los quarks con carga fraccionaria en 1961. A lo largo de la década de 1960, diferentes autores consideraron teorías similares a la teoría fundamental moderna de la cromodinámica cuántica (QCD) como modelos simples para las interacciones de los quarks. Los primeros en plantear la hipótesis de los gluones de QCD fueron Moo-Young Han y Yoichiro Nambu , quienes introdujeron la carga de color de los quarks . Han y Nambu plantearon la hipótesis de que podría estar asociado con un campo portador de fuerza. En aquel momento, sin embargo, era difícil ver cómo un modelo así podría confinar permanentemente los quarks. Han y Nambu también asignaron a cada color de quark una carga eléctrica entera, de modo que los quarks tenían carga fraccionaria sólo en promedio, y no esperaban que los quarks en su modelo estuvieran confinados permanentemente.
En 1971, Murray Gell-Mann y Harald Fritzsch propusieron que el campo indicador de color Han/Nambu era la teoría correcta de las interacciones a corta distancia de quarks con carga fraccionaria. Un poco más tarde, David Gross , Frank Wilczek y David Politzer descubrieron que esta teoría tenía la propiedad de libertad asintótica , lo que les permitió tomar contacto con evidencia experimental . Concluyeron que QCD era la teoría completa de las interacciones fuertes, correcta en todas las escalas de distancia. El descubrimiento de la libertad asintótica llevó a la mayoría de los físicos a aceptar la QCD, ya que quedó claro que incluso las propiedades a larga distancia de las interacciones fuertes podrían ser consistentes con el experimento si los quarks estuvieran confinados permanentemente : la fuerza fuerte aumenta indefinidamente con la distancia, atrapando a los quarks dentro del espacio. hadrones.
Suponiendo que los quarks están confinados, Mikhail Shifman , Arkady Vainshtein y Valentine Zakharov pudieron calcular las propiedades de muchos hadrones bajos directamente a partir de QCD, con sólo unos pocos parámetros adicionales para describir el vacío. En 1980, Kenneth G. Wilson publicó cálculos informáticos basados en los primeros principios de la QCD, estableciendo, con un nivel de confianza equivalente a la certeza, que la QCD confinará los quarks. Desde entonces, la QCD ha sido la teoría establecida de las interacciones fuertes.
QCD es una teoría de quarks con carga fraccionaria que interactúan mediante 8 partículas bosónicas llamadas gluones. Los gluones también interactúan entre sí, no sólo con los quarks, y a largas distancias las líneas de fuerza coliman formando cuerdas, modeladas libremente por un potencial lineal, una fuerza de atracción constante. De este modo, la teoría matemática de la QCD no sólo explica cómo interactúan los quarks en distancias cortas, sino también el comportamiento similar a una cuerda, descubierto por Chew y Frautschi, que manifiestan en distancias más largas.
Convencionalmente, la interacción de Higgs no se cuenta entre las cuatro fuerzas fundamentales. [26] [27]
No obstante, aunque no es una interacción de calibre ni está generada por ninguna simetría de difeomorfismo , el acoplamiento cúbico de Yukawa del campo de Higgs produce una quinta interacción débilmente atractiva. Después de la ruptura espontánea de la simetría mediante el mecanismo de Higgs , los términos de Yukawa permanecen de la forma
con acoplamiento Yukawa , masa de partículas (en eV ) y valor esperado del vacío de Higgs 246,22 GeV . Por lo tanto, las partículas acopladas pueden intercambiar un bosón de Higgs virtual , produciendo potenciales clásicos de la forma
con masa de Higgs125,18 GeV . Debido a que la longitud de onda de Compton reducida del bosón de Higgs es tan pequeña (1,576 × 10 −18 m , comparable a los bosones W y Z ), este potencial tiene un rango efectivo de unos pocos attómetros . Entre dos electrones, comienza aproximadamente 10 11 veces más débil que la interacción débil y se vuelve exponencialmente más débil a distancias distintas de cero.
Se han realizado numerosos esfuerzos teóricos para sistematizar las cuatro interacciones fundamentales existentes en el modelo de unificación electrodébil.
Las Grandes Teorías Unificadas (GUT) son propuestas para mostrar que las tres interacciones fundamentales descritas por el Modelo Estándar son manifestaciones diferentes de una única interacción con simetrías que se rompen y crean interacciones separadas por debajo de un nivel de energía extremadamente alto. También se espera que los GUT predigan algunas de las relaciones entre constantes de la naturaleza que el modelo estándar considera no relacionadas, así como que predigan la unificación del acoplamiento de calibres para las intensidades relativas de las fuerzas electromagnética, débil y fuerte (esto fue, por ejemplo, verificado en el Gran Colisionador de Electrones y Positrones en 1991 para teorías supersimétricas ). [ especificar ]
Las teorías del todo que integran los GUT con una teoría de la gravedad cuántica se enfrentan a una barrera mayor, porque ninguna teoría de la gravedad cuántica, que incluye la teoría de cuerdas , la gravedad cuántica de bucles y la teoría de los twistores , ha conseguido una amplia aceptación. Algunas teorías buscan un gravitón para completar la lista de partículas portadoras de fuerza del Modelo Estándar, mientras que otras, como la gravedad cuántica de bucles, enfatizan la posibilidad de que el propio tiempo-espacio pueda tener un aspecto cuántico.
Algunas teorías más allá del modelo estándar incluyen una hipotética quinta fuerza , y la búsqueda de dicha fuerza es una línea continua de investigación en física experimental. En las teorías supersimétricas , algunas partículas adquieren sus masas sólo a través de efectos de ruptura de la supersimetría y estas partículas, conocidas como módulos , pueden mediar nuevas fuerzas. Otro motivo para buscar nuevas fuerzas es el descubrimiento de que la expansión del universo se está acelerando (también conocida como energía oscura ), dando lugar a la necesidad de explicar una constante cosmológica distinta de cero , y posiblemente a otras modificaciones de la relatividad general . También se han sugerido quintas fuerzas para explicar fenómenos como las violaciones de CP , la materia oscura y el flujo oscuro .
{{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )No es posible una teoría covariante completamente galileana de un sistema Schrödinger-Maxwell acoplado (donde la densidad y la corriente del campo de Schrödinger actúan como fuente del campo de Maxwell no relativista)