Textos de ampliacin

1. Movimiento de precesin de los equinoccios

La precesin es el cambio en la direccin del eje alrededor del cual gira un objeto.

En el caso de la Tierra, este hecho es debido a que nuestro planeta est achatado por sus polos. Sifuese una esfera perfecta, la atraccin gravitatoria del Sol tendra siempre la misma fuerza, y ladireccin del eje terrestre no se modificara. Pero su movimiento de rotacin hace que la Tierra seams achatada en los polos y ms ensanchada en el ecuador. Esto hace que la atraccin de lagravedad vare, al variar el cuadrado de la distancia entre el centro del Sol y el de la Tierra.

1 Unidad 1

1. Movimiento de precesin de los equinoccios

2. Teora de la relatividad general

3. Espectroscopio

4. Fuerzas fundamentales

5. Teoras de la gran unificacin

6. Las teoras ms modernas

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Como el eje de la Tierra est inclinado, una mitad del ensanchamiento ecuatorial queda a un lado delplano de la eclptica y la otra mitad, al otro.

Durante los equinoccios, las dos mitades ensanchadas estn a la misma distancia del Sol, y no seproduce la torsin en la fuerza gravitatoria que genera la precesin. El resto del tiempo, y sobre tododurante los solsticios, una de las mitades ensanchadas queda ms lejos del Sol que la otra.

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Plan

o de

la e

clp

tica

Mediante el movimiento de precesin el eje de la Tierra recorre una circunferencia completa cada26 000 aos, con centro en el polo de la eclptica.

Como consecuencia de este movimiento, los polos celestes cambian continuamente.

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2. Teora de la relatividad general

Esta teora gravitatoria, publicada por el fsico Albert Einstein en 1915, afirma que la fuerza de lagravedad es una manifestacin de la geometra local del espacio-tiempo.

Est basada en una teora previa del mismo autor, la teora de la relatividad especial, desarrolladaalgunos aos antes. La teora de la relatividad especial establece la constancia de la velocidad de laluz, y demuestra que:

Un intervalo de tiempo o una distancia medidos en tierra son diferentes si se miden desde unmvil.

Masa y energa son conceptos equivalentes: la masa puede convertirse en energa, y al contrario.De aqu surge la famosa ecuacin E = m c 2, donde c es la velocidad de la luz.

La teora de la relatividad general generaliza esta teora para explicar la atraccin gravitatoria entremasas. La teora establece que la gravedad es consecuencia de la forma del espacio.

Si representamos el espacio como una hoja de papel:

Cuando no existe materia, el espacio es plano: todas las celdas tienen el mismo tamao.

La presencia de una estrella, debido a su masa, deforma el espacio en las zonas que la rodean.Cuanto ms cerca de la estrella, ms se modifica el patrn del espacio. Segn esto, la gravedad queejerce el Sol sobre un planeta es el efecto del movimiento del planeta dentro de la zona del espaciodeformada por la masa del Sol.

La mayora de las predicciones de esta teora han sido comprobadas; algunas de las principales sonla desviacin de la luz al pasar por el Sol, el corrimiento espectral de la luz hacia el rojo o laexistencia de agujeros negros.

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3. Espectroscopio

Un espectroscopio es un instrumento que dispersa la luz emitida por un foco, descomponindola enlas diferentes radiaciones monocromticas de las que consta.

La dispersin se realiza o por refraccin (espectroscopios de prisma) o por difraccin (espectroscopiosde red).

El espectroscopio de prisma est formado por una rendija por la que entra la luz, un conjunto delentes, un prisma y una lente ocular. La luz pasa primero por una lente colimadora, que produce unhaz de luz estrecho y paralelo, y despus por el prisma que separa este haz en los distintos coloresque lo componen. Con la lente ocular se enfoca la imagen de la rendija.

En el espectroscopio de red la luz se dispersa mediante una red de difraccin, que consiste en unasuperficie de metal o vidrio con muchas lneas paralelas muy finas marcadas. Tiene mayor poder dedispersin que un prisma, por lo que permite una observacin ms detallada de los espectros.

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4. Fuerzas fundamentales

Son las cuatro interacciones fundamentales que existen en el Universo:

Fuerza gravitatoria.

Fuerza electromagntica.

Fuerza nuclear fuerte.

Fuerza nuclear dbil.

La fuerza gravitatoria

Acta a grandes distancias; a escala de partculas, sin embargo, no es muy consistente. Encomparacin con el resto de interacciones, es la ms dbil. Tiene un solo sentido, pero alcanceinfinito.

Segn el modelo estndar, la partcula mediadora de esta fuerza es el gravitn.

La fuerza electromagntica

Acta entre partculas con carga elctrica, tanto en reposo (electrosttica) como entre cargas que semueven una con respecto a otra (elctrica y magntica). Es una interaccin muy fuerte y puededescribir casi todos los fenmenos de nuestra vida cotidiana. Es la fuerza involucrada en lastransformaciones fsicas y qumicas de tomos y molculas. Tiene dos sentidos (positivo y negativo)y su alcance es infinito. Las partculas mediadoras, segn el modelo estndar, son los fotones.

La fuerza nuclear fuerte

Es la interaccin que permite la unin de los quarks para formar partculas hadrnicas y la quemantiene unidos los componentes de los ncleos atmicos, pero es ms intensa que la fuerzaelectromagntica.

Aunque es muy fuerte, ms que la fuerza electromagntica, solo se aprecia en distancias muypequeas; es solamente atractiva. La partcula mediadora de esta interaccin es el glun.

La fuerza nuclear dbil

Es la interaccin responsable de que quarks y leptones se desintegren en partculas ms ligeras. Suintensidad es menor que la de la fuerza electromagntica y su alcance es an menor que el de lainteraccin nuclear fuerte. Es una fuerza atractiva. Segn el modelo estndar, las partculasmediadoras son los bosones W y Z.

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5. Teoras de la gran unificacin

Todo lo que sucede en el Universo se debe a la actuacin de una o ms de las cuatro fuerzasfundamentales.

Los cientficos intentan demostrar que todas estas fuerzas fundamentales son manifestaciones de unmodo nico de interaccin en circunstancias distintas. Hasta ahora la fuerza nuclear dbil y laelectromagntica se han podido unificar en la fuerza electrodbil.

Las teoras del campo unificado consideran que dos o ms de las cuatro fuerzas fundamentalesactan como si fueran esencialmente idnticas.

La teora de la gran unificacin intenta integrar en un nico marco terico las fuerzas nuclearfuerte y electrodbil. Esta teora todava est en proceso de ser comprobada.

La teora del todo es otra teora que pretende proporcionar una descripcin unificada de las cuatrofuerzas fundamentales. Actualmente, la mejor candidata a convertirse en una teora del todo es lateora de supercuerdas.

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Fuerza electromagntica

Fuerza gravitatoria

Fuerza nuclear dbil

Fuerza nuclear fuerte

Supe

rfuer

za

1043 s 1035 s 1012 s

Gran fuerzaunificada

6. Las teoras ms modernas

La teora de la relatividad general describe la naturaleza de la fuerza de la gravedad en elUniverso en expansin, mientras que el modelo estndar es la teora que describe a la perfeccinlas partculas elementales constituyentes de la estructura de la materia (quarks, leptones) y lasfuerzas fundamentales, excepto la gravedad, que actan sobre ellas (nuclear fuerte, nuclear dbil yelectromagnetismo). Por otra parte, la teora de la gran unificacin (TGU) solo es capaz deunificar estas tres ltimas fuerzas.

Por esta razn, durante muchos aos, los fsicos han soado con elaborar una teora del todo quepermitiera elaborar un conjunto de ecuaciones maestras que contendran toda la ciencia capaz deunificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, describir las interacciones entre todaslas partculas elementales y explicar el origen, la evolucin y el destino del Universo. Este deseoan no se ha visto cumplido, porque la fuerza de la gravedad se resiste a ser expresada bajo laforma de la mecnica cuntica.

Solo algunas teoras de gran complejidad matemtica, como la teora de cuerdas o la teora M,tratan de interpretar los sucesos ocurridos en los instantes posteriores (y previos) al gran estallido.Se trata de teoras que tratan de describir de manera conjunta, mediante ecuaciones matemticas,la gravedad y el Universo a gran escala y sus componentes ms pequeos, como las partculaselementales.

Teora de cuerdas

Una forma de abordar el problema de la gravitacin cuntica consiste en dejar de considerar a laspartculas como entidades puntuales y tratarlas como objetos unidimensionales, como si fuerancuerdas cerradas o abiertas que existiran en un espacio multidimensional (tres dimensionesespaciales, una temporal y las restantes estaran enrolladas o compactadas). Las partculassubatmicas no son puntos, sino cuerdas que vibran y, dependiendo de esas vibraciones, adquierenuna u otra forma. Para que el Universo sea tal como lo conocemos, durante el Big Bang las tresdimensiones espaciales (ancho, largo y alto) y una temporal (el tiempo) se expandieron, mientras quelas restantes dimensiones se compactaron.

Teora M

Es una teora que pretende unificar las cinco teoras de cuerdas (tipo I, tipo IIA, tipo IIB, tipo SO y tipoHE). Contiene objetos, llamados p-branas, donde p puede adoptar valores mayores que 1 y as darlugar a objetos de varias dimensiones: cuerdas (p = 1, es decir, 1-brana), membranas (p = 2, esdecir, 2-brana), etc., y as hasta construir objetos de mayores dimensiones.

Segn esta teora, podramos existir en una seccin tridimensional de un mundo de ms dimensiones,un multiverso, pero viviramos atrapados en nuestro propio Universo, que sera una de esasmembranas, desde el que no tendramos acceso a otras membranas que representaran a los demsuniversos.

Modelo estndar

El modelo estndar ha representado el intento ms satisfactorio de desarrollar una teora unificadoraque permita describir la estructura ntima de la materia y todas las fuerzas fundamentales que actansobre ella (excepto la gravedad). La elegancia de este modelo reside en su capacidad de describirinteracciones complejas mediante un nmero muy reducido de partculas elementales y fuerzasfundamentales. Las ideas esenciales de este modelo son las siguientes:

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Toda la materia se puede describir mediante las partculas elementales materiales: seis tiposde quarks (arriba, abajo, encanto, extrao, fondo y cima) y seis tipos de leptones (electrn,mun, partcula tau, neutrino-electrn, neutrino-mun y neutrino-tau); adems, existe una partcu-la de antimateria para cada una de las partculas materiales. De todas las partculas, el bosn deHiggs an no se ha detectado experimentalmente.

Las cuatro fuerzas fundamentales (nuclear fuerte, nuclear dbil, electromagntica y gra-vitatoria) que actan sobre la materia son el resultado del intercambio de partculas portado-ras de fuerza, que actan como mensajeras de la interaccin: bosones W+W-Z0, fotn, gluny gravitn. Este ltimo no se ha conseguido detectar experimentalmente.

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FuerzaNuclear fuerte

Nuclear dbil Electromagntica GravitatoriaFundamental Residual

Acta sobre las par-tculas materiales.

Quarks Hadrones: Protones yneutrones

Leptones y quarks Partculas con cargaelctrica

Todas las partculas

Tipo de partculaportadora de fuerza.

Glun Mesn Bosones W+W-Z0 Fotn Gravitn

Efectos:Lo que comnmentellamamos fuerza sonlos efectos causadospor el intercambio departculas portadorasde fuerza (la pelota)entre las partculasmateriales (losjugadores).

Los quarks siemprevan en grupo.Cuando dos o msquarks se aproximanrpidamenteintercambiangluones y quedanpegados,formando partculascompuestasllamadas hadrones,que pueden ser:

Bariones:formadas por laasociacin de tresquarks, como elprotn (u, u, d) y elneutrn (u, d, d).

Mesones:formadas por laasociacin de dosquarks, como el pin(u, d).

Une los protones ylos neutrones en losncleos atmicos,por mediacin de lafuerza nuclear fuerteresidual que estransportada por ungrupo de mesonesllamados piones.

Es responsable delos fenmenosradiactivos y detodos los procesosen que intervienenlos neutrinos.

Tambin esresponsable de quelas partculas demayor masa setransformen(decaigan) en quarksy leptones msligeros.

Atrae a laspartculas dedistinta carga yrepele a las de igualcarga.

Es responsable deque los electronesse mantenganunidos a los ncleosde los tomos, lostomos se unanpara formarmolculas, y lasmolculas se unanentre s para formarestructuras vivas oinanimadas.

La gravedad atrae yacta sobre todotipo de materia,desde las partculaselementales hastalas galaxias.

Es la nica fuerzaque no est incluidaen el modeloestndar, porque susefectos sobre laspartculas sondiminutos, ya que setrata de una fuerzamuy dbil, a no serque acte sobregrandes masas.