Albert Einstein (1879-1955), físico alemán nacionalizado estadounidense, premiado con un Nobel, famoso por ser el autor de las teorías general y restringida de la relatividad y por sus hipótesis sobre la naturaleza corpuscular de la luz. Es probablemente el científico más conocido del siglo XX.

Nació en Ulm el 14 de marzo de 1879 y pasó su juventud en Munich, donde su familia poseía un pequeño taller de máquinas eléctricas. Ya desde muy joven mostraba una curiosidad excepcional por la naturaleza y una capacidad notable para entender los conceptos matemáticos más complejos. A los doce años ya conocía la geometría de Euclides.

A la edad de 15 años, cuando su familia se trasladó a Milán, Italia, a causa de sucesivos fracasos en los negocios, Einstein abandonó la escuela. Pasó un año con sus padres en Milán y viajó a Suiza, donde terminó los estudios secundarios e ingresó en el Instituto Politécnico Nacional de Zurich.

Durante dos años Einstein trabajó dando clases particulares y de profesor suplente. En 1902 consiguió un trabajo estable como examinador en la Oficina Suiza de Patentes en Berna.

En 1905 se doctoró en la Universidad de Zurich, con una tesis sobre las dimensiones de las moléculas; también publicó cuatro artículos teóricos de gran valor para el desarrollo de la física del siglo XX.

En el primero de ellos, sobre el movimiento browniano, formuló predicciones importantes sobre el movimiento aleatorio de las partículas dentro de un fluido, predicciones que fueron comprobadas en experimentos posteriores.

El segundo artículo, sobre el efecto fotoeléctrico, anticipaba una teoría revolucionaria sobre la naturaleza de la luz. Según Einstein, bajo ciertas circunstancias la luz se comportaba como una partícula. También afirmó que la energía que llevaba toda partícula de luz, denominada fotón, era proporcional a la frecuencia de la radiación. Lo representaba con la fórmula E = hn , donde E es la energía de la radiación, h una constante universal llamada constante de Planck y n es la frecuencia de la radiación. Esta teoría, que planteaba que la energía de los rayos luminosos se transfería en unidades individuales llamadas cuantos, contradecía las teorías anteriores que consideraban que la luz era la manifestación de un proceso continuo. Las tesis de Einstein apenas fueron aceptadas. De hecho, cuando el físico estadounidense Robert Andrews Millikan confirmó experimentalmente sus tesis casi una década después, éste se mostró sorprendido e inquieto por los resultados. Einstein, interesado por comprender la naturaleza de la radiación electromagnética, propugnó el desarrollo de una teoría que fusionara las ondas y partículas de la luz. De nuevo fueron muy pocos los científicos que comprendieron y aceptaron estas ideas.

La tercera publicación de Einstein en 1905, Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, y la cuarta titulada ¿Depende la inercia de un cuerpo de la energía que contiene?, formulaban lo que después llegó a conocerse como la teoría especial de la relatividad (o teoría restringida de la relatividad).

 

La dificultad de otros científicos para aceptar la teoría de Einstein no estribaba en sus complejos cálculos matemáticos y su dificultad técnica, sino que partía del concepto que tenía Einstein de las buenas teorías y su relación con la experimentación. Aunque sostenía que la única fuente del conocimiento era la experiencia, también pensaba que las teorías científicas eran creaciones libres de una aguda intuición física, y que las premisas en que se basaban no podían aplicarse de un modo lógico al experimento. Una buena teoría sería, pues, aquella que necesitara los mínimos postulados para explicar un hecho físico. Esta escasez de postulados, característica de la obra de Einstein, provocó que su trabajo no fuera accesible para sus colegas, que le dejaron solo.

Aun así, tenía importantes seguidores. Su primer defensor fue el físico alemán Max Planck. Einstein permaneció cuatro años en la oficina de patentes, y luego empezó a destacar dentro de la comunidad científica, y así ascendió en el mundo académico de lengua alemana. Primero fue a la Universidad de Zurich en 1909; dos años más tarde se trasladó a la Universidad de Praga, de lengua alemana, y en 1912 regresó al Instituto Politécnico Nacional de Zurich. Finalmente, en 1913 fue nombrado director del Instituto de Física Kaiser Guillermo en Berlín.

Antes de dejar la oficina de patentes, en 1907, Einstein ya trabajaba en la extensión y generalización de la teoría de la relatividad a todo sistema de coordenadas. Empezó con el enunciado del principio de equivalencia según el cual los campos gravitacionales son equivalentes a las aceleraciones del sistema de referencia. De este modo, una persona que viajara en un elevador o ascensor no podría en principio determinar si la fuerza que actúa sobre ella se debe a la gravitación o a la aceleración constante del ascensor. Esta teoría general completa de la relatividad no fue publicada hasta 1916. De acuerdo con ella, las interacciones entre los cuerpos, que hasta entonces se atribuían a fuerzas gravitacionales, se explican por la influencia de estos sobre la geometría espacio-tiempo (espacio de cuatro dimensiones, una abstracción matemática en la que el tiempo se une, como cuarta dimensión, a las tres dimensiones euclídeas).

Basándose en la teoría general de la relatividad, Einstein pudo entender las variaciones hasta entonces inexplicables del movimiento de rotación de los planetas y logró predecir la inclinación de la luz de las estrellas al aproximarse a cuerpos como el Sol. La confirmación de este fenómeno durante un eclipse de Sol en 1919 fue toda una noticia y su fama se extendió por todo el mundo.

Einstein consagró gran parte del resto de su vida a generalizar su teoría. Su último trabajo, la teoría del campo unificado, que no tuvo demasiado éxito, consistía en un intento de explicar todas las interacciones físicas, incluidas la interacción electromagnética y las interacciones nucleares fuerte y débil, a través de la modificación de la geometría del espacio-tiempo entre entidades interactivas.

La mayoría de sus colegas pensaron que sus esfuerzos iban en dirección equivocada. Entre 1915 y 1930 la corriente principal entre los físicos era el desarrollo de una nueva concepción del carácter fundamental de la materia, conocida como la teoría cuántica. Esta teoría contempla la característica de la dualidad onda-partícula (la luz presenta las propiedades de una partícula, así como las de una onda), que Einstein había intuido como necesaria, y el principio de incertidumbre, que establece que la exactitud de los procedimientos de medición es limitada. Además, esta teoría suponía un rechazo fundamental a la noción estricta de causalidad. Sin embargo, Einstein mantuvo una posición crítica respecto a estas tesis hasta el final de su vida. “Dios no juega a los dados con el mundo”, llegó a decir.

A partir de 1919, Einstein recibió el reconocimiento internacional y acumuló honores y premios de distintas sociedades científicas, como el Nobel de Física en 1921. Sus visitas a países de todo el mundo, como la que realizó a España en 1923, impulsada por el matemático Julio Rey Pastor, o las que realizó a Argentina, Uruguay y Brasil en 1925, eran un acontecimiento; le seguían fotógrafos y periodistas.

El pacifismo y el sionismo fueron los dos movimientos sociales que recibieron todo su apoyo. Durante la I Guerra Mundial, Einstein fue uno de los pocos académicos alemanes que condenaron públicamente la participación de Alemania en el conflicto. Después de la guerra siguió con sus actividades pacifistas y sionistas, por lo que fue blanco de los ataques de grupos antisionistas y de derechas alemanes. Sus teorías llegaron a ser ridiculizadas en público, especialmente la de la relatividad.

Cuando Hitler llegó al poder en 1933, Einstein abandonó Alemania y emigró a Estados Unidos, donde ocupó un puesto en el Instituto de Estudios Superiores en Princeton, Nueva Jersey. Siguió con sus actividades en favor del sionismo pero abandonó su postura pacifista anterior a la vista de la amenaza que suponía para la humanidad el régimen nazi en Alemania.

En 1939 Einstein participó junto con otros físicos en la redacción de una carta dirigida al presidente Franklin D. Roosevelt en la que se pedía la creación de un programa de investigación sobre las reacciones en cadena. La carta, que sólo iba firmada por Einstein, consiguió acelerar la fabricación de la bomba atómica, en la que él no participó ni supo de su finalización. En 1945, cuando ya era evidente la existencia de la bomba, Einstein volvió a escribir al presidente para intentar disuadirlo de utilizar el arma nuclear.

Después de la guerra, Einstein se convirtió en activista del desarme internacional y del gobierno mundial, y siguió contribuyendo a la causa del sionismo, pero declinó una oferta de los líderes del Estado de Israel para ocupar el cargo de presidente. A finales de la década de 1940 y principios de la de 1950, defendió en Estados Unidos la necesidad de que los intelectuales del país hicieran todo lo posible para mantener la libertad política. Einstein murió el 18 de abril de 1955 en Princeton.

Los esfuerzos de Einstein en apoyo de causas sociales fueron a menudo percibidos como poco realistas. Sus propuestas nacían de razonamientos cuidadosamente elaborados. Al igual que sus teorías, eran fruto de una asombrosa intuición basada en cuidadosas y astutas valoraciones y en la observación. A pesar de su actividad en favor de causas políticas y sociales, la ciencia siempre ocupó el primer lugar en su vida, pues, como solía decir, sólo el descubrimiento de la naturaleza del Universo tiene un sentido duradero. Entre sus obras se encuentran La relatividad: la teoría especial y restringida (1916); Sobre el sionismo (1931); Los constructores del Universo (1932); ¿Por qué la guerra? (1933), con Sigmund Freud; El mundo como yo lo veo (1934); La evolución de la Física (1938) con el físico polaco Leopold Infeld, y En mis últimos años (1950). La colección de los artículos de Einstein comenzó a publicarse en 1987 en varios volúmenes.

 

Desde los tiempos del matemático y físico inglés Isaac Newton, los filósofos de las ciencias naturales (nombre que recibían los físicos y químicos) habían intentado comprender la naturaleza de la materia

y la radiación, y su interacción en algunos modelos unificados del mundo. La hipótesis que sostenía que las leyes mecánicas eran fundamentales se denominó visión mecánica del mundo. La hipótesis que mantenía que eran las leyes eléctricas las fundamentales recibió el nombre de visión electromagnética del mundo. Ninguna de las dos concepciones era capaz de explicar con fundamento la interacción de la radiación (por ejemplo, la luz) y la materia al ser observadas desde diferentes sistemas de inercia de referencia, o sea, la interacción producida en la observación simultánea por una persona parada y otra moviéndose a una velocidad constante.

En la primavera de 1905, tras haber reflexionado sobre estos problemas durante diez años, Einstein se dio cuenta de que la solución no estaba en la teoría de la materia sino en la teoría de las medidas. En el fondo de su teoría restringida de la relatividad se encontraba el hallazgo de que toda medición del espacio y del tiempo es subjetiva. Esto le llevó a desarrollar una teoría basada en dos premisas: el principio de la relatividad, según el cual las leyes físicas son las mismas en todos los sistemas inerciales de referencia, y el principio de la invariabilidad de la velocidad de la luz, según el cual la velocidad de la luz en el vacío es constante. De este modo pudo explicar los fenómenos físicos observados en sistemas inerciales de referencia distintos, sin tener que entrar en la naturaleza de la materia o de la radiación y su interacción, pero nadie entendió su razonamiento. En 1905, Einstein publicó el primero de dos importantes artículos sobre la teoría de la relatividad, en el que eliminaba el problema del movimiento absoluto negando su existencia. Según Einstein, ningún objeto del Universo se distingue por proporcionar un marco de referencia absoluto en reposo en relación al espacio. Cualquier objeto (por ejemplo, el centro del Sistema Solar) proporciona un sistema de referencia igualmente válido, y el movimiento de cualquier objeto puede referirse a ese sistema. Así, es igual de correcto afirmar que el tren se desplaza respecto a la estación como que la estación se desplaza respecto al tren. Este ejemplo no es tan absurdo como parece a primera vista, porque la estación también se mueve debido al movimiento de la Tierra sobre su eje y a su rotación en torno al Sol. Según Einstein, todo el movimiento es relativo.

Ninguna de las premisas básicas de Einstein era revolucionaria; Newton ya había afirmado que “el reposo absoluto no puede determinarse a partir de la posición de los cuerpos en nuestras regiones”. Lo revolucionario era afirmar, como hizo Einstein, que la velocidad relativa de un rayo de luz respecto a cualquier observador es siempre la misma, aproximadamente unos 300.000 km/s. Aunque dos observadores se muevan a una velocidad de 160.000 km/s uno respecto al otro, si ambos miden la velocidad de un mismo rayo de luz, los dos determinarán que se desplaza a 300.000 km/s. Este resultado aparentemente anómalo quedaba demostrado en el experimento de Michelson-Morley. Según la física clásica, sólo uno de los dos observadores —como mucho— podía estar en reposo, mientras que el otro cometía un error de medida debido a la contracción de Lorentz-Fitzgerald experimentada por sus aparatos; según Einstein, ambos observadores tienen el mismo derecho a considerarse en reposo y ninguno de los dos comete un error de medida. Cada observador emplea un sistema de coordenadas como marco de referencia para sus medidas, y un sistema puede transformarse en el otro mediante una manipulación matemática. Las ecuaciones de esta transformación, conocidas como ecuaciones de transformación de Lorentz, fueron adoptadas por Einstein, aunque las interpretó de forma radicalmente nueva. La velocidad de la luz permanece invariante en cualquier transformación de coordenadas.

Según la transformación relativista, no sólo se modifican las longitudes en la dirección del movimiento de un objeto, sino también el tiempo y la masa. Un reloj que se desplace en relación a un observador parecería andar más lento y cualquier objeto material parecería aumentar su masa, en ambos casos en un factor igual al factor Γ (gamma mayúscula), inverso del factor g. El electrón, que acababa de descubrirse, proporcionaba un método para comprobar esta última suposición. Los electrones emitidos por sustancias radiactivas tienen velocidades próximas a la de la luz, con lo que el factor Γ podría llegar a ser de 2 y la masa del electrón se duplicaría. La masa de un electrón en movimiento puede determinarse con facilidad midiendo la curvatura de su trayectoria en un campo magnético; cuanto más pesado sea el electrón, menor será la curvatura de su trayectoria para una determinada intensidad del campo. Los experimentos confirmaron espectacularmente la predicción de Einstein; el electrón aumentaba de masa exactamente en el factor que él había predicho. La energía cinética del electrón acelerado se había convertido en masa de acuerdo con la fórmula: E = m·c² , que Einstein dedujo en su cuarto artículo. Esta fórmula relaciona la energía (E) con la masa (m) y la velocidad de la luz (c). Como el valor de c es muy elevado, una pequeña masa equivale a una gran cantidad de energía.

La hipótesis fundamental en la que se basaba la teoría de Einstein era la inexistencia del reposo absoluto en el Universo. Einstein postuló que dos observadores que se mueven a velocidad constante uno respecto de otro observarán unas leyes naturales idénticas. Sin embargo, uno de los dos podría percibir que dos hechos en estrellas distantes han ocurrido simultáneamente, mientras que el otro hallaría que uno ha ocurrido antes que otro; esta disparidad no es de hecho una objeción a la teoría de la relatividad porque según esta teoría, la simultaneidad no existe para acontecimientos distantes. En otras palabras, no es posible especificar de forma unívoca el momento en que ocurre un hecho sin una referencia al lugar donde ocurre. Toda partícula u objeto del Universo se describe mediante una llamada ‘línea del universo’, que traza su posición en el tiempo y el espacio. Cuando se cruzan dos o más líneas del universo, se produce un hecho o suceso. Si la línea del universo de una partícula no cruza ninguna otra línea del universo, no le ocurre nada, por lo que no es importante —ni tiene sentido— determinar la situación de la partícula en ningún instante determinado. La ‘distancia’ o ‘intervalo’ entre dos sucesos cualesquiera puede describirse con precisión mediante una combinación de intervalos espaciales y temporales, pero no mediante uno sólo. El espacio-tiempo de cuatro dimensiones (tres espaciales y una temporal) donde tienen lugar todos los sucesos del Universo se denomina continuo espacio-tiempo.

Todas las afirmaciones anteriores son consecuencias de la relatividad especial o restringida, nombre aplicado a la teoría desarrollada por Einstein en 1905 como resultado de su estudio de objetos que se mueven a velocidad constante uno respecto de otro.

 

 

TEORÍA DE LA RELATIVIDAD GENERAL

La teoría de la relatividad especial implica que una persona situada en un vehículo cerrado no puede determinar mediante ningún experimento imaginable si está en reposo o en movimiento uniforme. La relatividad general implica que si el vehículo resulta acelerado o frenado, o toma una curva, el ocupante no puede afirmar si las fuerzas producidas se deben a la gravedad o son fuerzas de aceleración producidas al pisar el acelerador o el freno o al girar el vehículo bruscamente.

Einstein atribuye todas las fuerzas, tanto las gravitacionales como las asociadas convencionalmente a la aceleración, a los efectos de la aceleración. Así, cuando una nave está en reposo sobre la superficie terrestre, se ve atraída hacia el centro de la Tierra. Einstein afirma que este fenómeno de atracción es atribuible a una aceleración de la nave. En el espacio tridimensional, la nave se encuentra estacionaria, por lo que no experimenta aceleración; sin embargo, en el espacio-tiempo de cuatro dimensiones, la nave está moviéndose a lo largo de su línea del universo. Según Einstein, la línea del universo está curvada debido a la curvatura del continuo espacio-tiempo en la proximidad de la Tierra.

Así, la hipótesis de Newton de que todo objeto atrae a los demás objetos de forma directamente proporcional a su masa es sustituida por la hipótesis relativista de que el continuo está curvado en las proximidades de objetos masivos. La ley de la gravedad de Einstein afirma sencillamente que la línea del universo de todo objeto es una geodésica en el continuo. Una geodésica es la distancia más corta entre dos puntos, pero en el espacio curvado no es, normalmente, una línea recta. Del mismo modo, las geodésicas en la superficie terrestre son los círculos máximos, que no son líneas rectas en los mapas corrientes.

En la mayoría de los casos mencionados hasta ahora, las predicciones clásica y relativista son prácticamente idénticas, aunque la matemática relativista es más compleja. La famosa afirmación apócrifa de que sólo había 10 personas en el mundo que entendieran la teoría de Einstein se refería al complicado álgebra tensorial y a la geometría riemanniana de la relatividad general; en cambio, cualquier estudiante de cálculo elemental puede comprender la relatividad especial.

La teoría de la relatividad general ha sido confirmada en numerosas formas desde su aparición. Por ejemplo, la teoría predice que la línea del universo de un rayo de luz se curva en las proximidades de un objeto masivo como el Sol. Para comprobar esta predicción, los científicos decidieron observar las estrellas que parecen encontrarse muy cerca del borde del Sol. Estas observaciones no pueden realizarse normalmente, porque el brillo del Sol oculta las estrellas cercanas. Durante un eclipse solar total, sin embargo, es posible observar estas estrellas y registrar con precisión sus posiciones. Durante los eclipses de 1919 y 1922 se organizaron expediciones científicas para realizar esas observaciones. Después se compararon las posiciones aparentes de las estrellas con sus posiciones aparentes algunos meses más tarde, cuando aparecían de noche, lejos del Sol. Einstein predijo un desplazamiento aparente de la posición de 1,745 segundos de arco para una estrella situada justo en el borde del Sol, y desplazamientos cada vez menores de las estrellas más distantes. Las expediciones que estudiaron los eclipses comprobaron esas predicciones.

En los últimos años se han llevado a cabo mediciones semejantes de la desviación de ondas de radio procedentes de quásares distantes, utilizando interferómetros de radio. Las medidas arrojaron unos resultados que coincidían con una precisión del 1% con los valores predichos por la relatividad general.

Otra confirmación de la relatividad general está relacionada con el perihelio del planeta Mercurio. Hacía años que se sabía que el perihelio (el punto en que Mercurio se encuentra más próximo al Sol) gira en torno al Sol una vez cada tres millones de años, y ese movimiento no podía explicarse totalmente con las teorías clásicas. En cambio, la teoría de la relatividad sí predice todos los aspectos del movimiento, y las medidas con radar efectuadas recientemente han confirmado la coincidencia de los datos reales con la teoría con una precisión de un 0,5%.

Otro fenómeno predicho por la relatividad general es el efecto de retardo temporal, en el que las señales enviadas a un planeta o nave espacial situados al otro lado del Sol experimentan un pequeño retraso —que puede medirse al ser devueltas a la Tierra— en comparación con lo indicado por la teoría clásica. Aunque se trata de intervalos de tiempo muy pequeños, las diferentes pruebas realizadas con sondas planetarias han dado valores muy cercanos a los predichos por la relatividad general. Se han realizado otras muchas comprobaciones de la teoría, y hasta ahora todas parecen confirmarla.

Después de 1915, la teoría de la relatividad experimentó un gran desarrollo y expansión a cargo de Einstein y de los astrónomos británicos James Jeans, Arthur Eddington y Edward Arthur Milne, el astrónomo holandés Willem de Sitter y el matemático estadounidense de origen alemán Hermann Weyl. Gran parte del trabajo de estos científicos correspondió a un esfuerzo por ampliar la teoría de la relatividad para que incluyera los fenómenos electromagnéticos. Recientemente, numerosos científicos han tratado de unir la teoría gravitatoria relativista con el electromagnetismo y con las otras dos fuerzas fundamentales, las interacciones nuclear fuerte y nuclear débil. Aunque se han realizado algunos avances en ese terreno, no ha habido grandes éxitos, y hasta ahora no se ha aceptado ninguna de las teorías de forma generalizada.

Los físicos también han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de las consecuencias cosmológicas de la teoría de la relatividad. Dentro del marco de los axiomas planteados por Einstein son posibles muchas líneas de desarrollo. Por ejemplo, el espacio está curvado, y se conoce exactamente su grado de curvatura en las proximidades de cuerpos pesados, pero su curvatura en el espacio vacío —causada por la materia y la radiación de todo el Universo— es incierta. Además, los científicos no están de acuerdo en si es una curva cerrada (comparable con una esfera) o abierta (comparable con un cilindro o una taza con paredes de altura infinita). La teoría de la relatividad lleva a la posibilidad de que el Universo se está expandiendo: esa es la explicación generalmente aceptada para la observación experimental de que las líneas espectrales de galaxias, quásares y otros objetos distantes se encuentran desplazadas hacia el rojo. La teoría del Universo en expansión hace que sea razonable suponer que la historia del Universo es finita, pero también permite otras alternativas.

Einstein predijo que las perturbaciones gravitacionales importantes, como la oscilación o el colapso de estrellas de gran masa, provocarían ondas gravitacionales, perturbaciones del continuo espacio-tiempo que se expandirían a la velocidad de la luz. Los físicos siguen buscando este tipo de ondas.

Gran parte de los trabajos posteriores sobre la relatividad se centraron en la creación de una mecánica cuántica relativista que resultara satisfactoria. En 1928, el matemático y físico británico Paul Dirac expuso una teoría relativista del electrón. Más tarde se desarrolló una teoría de campo cuántica llamada electrodinámica cuántica, que unificaba los conceptos de la relatividad y la teoría cuántica en lo relativo a la interacción entre los electrones, los positrones y la radiación electromagnética. En los últimos años, los trabajos del físico británico Stephen Hawking se han dirigido a intentar integrar por completo la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad.

 

Cuando una radiación electromagnética de frecuencia apropiada incide sobre determinados metales, de su superficie se desprenden cargas eléctricas negativas (hoy sabemos que se trata de electrones). Los aspectos importantes de este fenómeno son los siguientes: 1) la energía de cada electrón desprendido sólo depende de la frecuencia de la fuente luminosa, y no de su intensidad; 2) la cantidad o el ritmo de emisión de electrones sólo depende de la intensidad de iluminación, y no de la frecuencia (siempre que se supere la frecuencia mínima o umbral capaz de provocar la emisión); 3) los electrones se desprenden en cuanto se ilumina la superficie. Estas observaciones, que no podían ser explicadas por la teoría electromagnética de la luz desarrollada por Maxwell, llevaron a Einstein en 1905 a suponer que la luz sólo puede absorberse en cuantos, o fotones, y que el fotón desaparece por completo en el proceso de absorción y cede toda su energía E a un solo electrón del metal. Con esta sencilla suposición, Einstein amplió la teoría cuántica de Planck a la absorción de radiación electromagnética, lo que concedió una importancia aún mayor a la dualidad onda-corpúsculo de la luz. Por este trabajo logró Einstein el Premio Nobel de Física en 1921.

Los leptones “sienten” las fuerzas electromagnética y nuclear débil.

Los bosones incluyen el fotón, que “transmite” la fuerza electromagnética, las partículas W y Z, portadoras de la fuerza nuclear débil, los gluones, que trasmiten las interacciones entre quarks y el hipotético portador de la gravitación (gravitón).

Son miembros de una extensa familia de partículas elementales que interaccionan a través de la llamada fuerza nuclear fuerte; esta fuerza no sólo mantiene unidos a los protones y neutrones en los núcleos atómicos, sino que también rige el comportamiento de los hadrones cuando se hacen colisionar partículas de alta energía con los núcleos. Las otras fuerzas naturales fundamentales también actúan sobre los hadrones. Todos, salvo los protones y los neutrones nucleares, son inestables y se desintegran para formar otros hadrones. Entre ellos existen dos clases de partículas: mesones y bariones. Los primeros incluyen el pión y el kaón, más ligeros. Los bariones son las partículas más pesadas, entre las que figuran los protones, los neutrones y los hiperones, partículas muy pesadas que se desintegran para dar lugar a protones o neutrones.

Los bariones pertencen a la clase de partículas elementales más pesadas, que engloba los nucleones (neutrones y protones) y los hiperones, de mayor peso e inestables (l , s , x , y w ). Están constituidos por tres quarks, y los antibariones por tres antiquarks. Interaccionan a través de la fuerza nuclear fuerte, responsable de la cohesión de los nucleones en los núcleos atómicos. La ley de conservación de bariones, una ley física fundamental, afirma que en cualquier interacción de partículas elementales el número bariónico total permanece constante. A los bariones se les asigna el número bariónico +1, a los antibariones -1, y a las partículas que no son bariones, 0. Según algunas teorías de gran unificación, sin embargo, el número bariónico podría no conservarse en las interacciones de muy alta energía o a lo largo de periodos extremadamente prolongados.

El protón, partícula nuclear con carga positiva igual en magnitud a la carga negativa del electrón; junto con el neutrón, está presente en todos los núcleos atómicos. Al protón y al neutrón se les denomina también nucleones. El núcleo del atómo de hidrógeno está formado por un único protón. La masa de un protón es de 1,6726 × 10^-27 kg, aproximadamente 1.836 veces la del electrón. Por tanto, la masa de un átomo está concentrada casi exclusivamente en su núcleo. El protón tiene un momento angular intrínseco, o espín, y, por tanto, un momento magnético. Por otra parte, el protón cumple el principio de exclusión.

Son parte esencial de la materia ordinaria, y son estables a lo largo de periodos de miles de millones, incluso billones, de años. No obstante, interesa saber si los protones acaban desintegrándose, en una escala temporal de 10³³ años o más. Este interés se deriva de los actuales intentos de lograr teorías de unificación que combinen las cuatro interacciones fundamentales de la materia en un único esquema. Muchas de las teorías propuestas implican que el protón es, en último término, inestable, por lo que los grupos de investigación de numerosos aceleradores de partículas están llevando a cabo experimentos para detectar la desintegración de un protón. Hasta ahora no se han encontrado pruebas claras; los indicios observados pueden interpretarse de otras formas.

El antiprotón posee carga negativa y no forma parte de los núcleos atómicos. Es estable en el vacío y no se desintegra espontáneamente. Sin embargo, si colisiona con un protón, ambas partículas se transforman en mesones, cuya vida media es extremadamente breve. Si bien su existencia se postuló por primera vez en la década de 1930, el antiprotón no se identificó hasta 1955, en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California.

Los neutrones son partículas sin carga que constituye una de las partículas fundamentales que componen la materia. La masa de un neutrón es de 1,675 × 10^-27 kg, aproximadamente un 0,125% mayor que la del protón. Su existencia fue profetizada en 1920 por el físico británico Ernest Rutherford y por científicos australianos y estadounidenses, pero la verificación experimental de su existencia resultó difícil debido a que la carga eléctrica del neutrón es nula y la mayoría de los detectores de partículas sólo registran las partículas cargadas. Fue identificado por primera vez en 1932 por el físico británico James Chadwick, que interpretó correctamente los resultados de los experimentos realizados en aquella época por los físicos franceses Irène y Frédéric Joliot-Curie y otros científicos. Los Joliot-Curie habían producido un tipo de radiación anteriormente desconocida mediante la interacción de partículas alfa con núcleos de berilio. Cuando esta radiación se hacía pasar a través de una capa de parafina, las colisiones entre la radiación y los átomos de hidrógeno de la parafina producían protones fácilmente detectables. Chadwick se dio cuenta de que la radiación estaba formada por neutrones.

Son partículas constituyentes de todos los núcleos salvo el del hidrógeno ordinario. Los libres -que no forman parte de un núcleo atómico- se producen en reacciones nucleares. Pueden ser expulsados de los núcleos atómicos con diferentes velocidades o energías, y son fácilmente frenados hasta alcanzar una energía muy baja a través de una serie de colisiones con núcleos ligeros como los del hidrógeno, el deuterio o el carbono. Cuando son expulsados del núcleo, son inestables, y se desintegran para dar lugar a un protón, un electrón y un neutrino.

Al igual que el protón y el electrón, el neutrón poseen momento angular intrínseco o espín. Actúan como pequeños imanes individuales; esta propiedad permite la creación de haces de neutrones polarizados. El neutrón tiene un momento magnético negativo de -1,913141 magnetones nucleares, aproximadamente una milésima del valor del magnetón de Bohr. Su vida media es de aproximadamente 10 minutos.

El antineutrón tiene su misma masa, espín y tasa de desintegración beta. Estas partículas se producen en ocasiones en la colisión de antiprotones con protones, y poseen un momento magnético igual en magnitud y opuesto en signo al del neutrón. Ambos están compuestos, a su vez, de quarks.

 

No interaccionan a través de la fuerza nuclear fuerte, son eléctricamente neutros o tienen carga unidad, y son fermiones porque tienen espín semientero.. Al contrario que los hadrones, que están compuestos por quarks, los leptones no parecen tener ninguna estructura interna. Los leptones engloban el electrón, el muón, el tau (t ) y las tres clases de neutrino (n ) asociadas respectivamente con cada uno de los otros tres leptones. Cada uno tiene su antipartícula correspondiente. Aunque todos son relativamente ligeros, sus propiedades son muy diferentes. El electrón, por ejemplo, tiene carga negativa, y es estable, lo que quiere decir que no se desintegra para dar lugar a otras partículas elementales; el muón también tiene carga negativa, pero su masa es unas 200 veces superior a la del electrón, y se desintegra produciendo otras partículas. Los leptones interaccionan con otras partículas a través de la fuerza nuclear débil (la fuerza que rige la desintegración radiactiva), la fuerza electromagnética y la fuerza gravitatoria.

Partículas elementales de carga negativa que forma parte de la familia de los leptones y que, junto con los protones y los neutrones, forma los átomos y las moléculas. Los electrones están presentes en todos los átomos y cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres.

En el siglo XIX ya se sospechaba que los portadores de las cargas eléctricas eran partículas extremadamente pequeñas, y los experimentos electroquímicos indicaban que la carga de esas partículas elementales era una cantidad definida e invariante. Los experimentos sobre conducción de electricidad en gases a baja presión llevaron al descubrimiento de dos clases de rayos: los rayos catódicos, procedentes del electrodo negativo de un tubo de descarga, y los rayos positivos o rayos canales, procedentes del electrodo positivo. El experimento realizado por Joseph John Thomson en 1895 midió la relación entre la carga q y la masa m de las partículas de los rayos catódicos. En 1899 Lenard confirmó que esta relación era la misma en las partículas emitidas en el efecto fotoeléctrico. Hacia 1911 Millikan determinó por fin que la carga eléctrica siempre aparece en múltiplos de una unidad básica e, y midió su valor, que es de 1,602 × 10-19 culombios. A partir del valor obtenido para la relación q/m, se determinó que la masa del portador de carga, denominado electrón, es de 9,109 × 10-31 kilogramos.

Posteriormente Thomson y otros demostraron que los rayos positivos también estaban formados por partículas, pero con carga de signo positivo. Estas partículas (en la actualidad se sabe que son iones positivos producidos al eliminar electrones de un átomo neutro) tienen una masa muchísimo mayor que la del electrón. La más pequeña, el ion hidrógeno, está formado por un solo protón (con carga e pero de signo positivo) y tiene una masa de 1,673 × 10-27 kg, unas 1.800 veces mayor que la del electrón (véase Ionización). La naturaleza “cuantizada” de la carga eléctrica había quedado firmemente establecida, y al mismo tiempo se habían identificado dos de las partículas subatómicas fundamentales

Los electrones intervienen en una gran variedad de fenómenos físicos y químicos. Se dice que un objeto está cargado eléctricamente si sus átomos tienen un exceso de electrones (posee carga negativa) o un déficit de los mismos (posee carga positiva). El flujo de una corriente eléctrica en un conductor es causado por el movimiento de los electrones libres del conductor. La conducción del calor también se debe fundamentalmente a la actividad electrónica. El estudio de las descargas eléctricas a través de gases enrarecidos en los tubos de vacío fue el origen del descubrimiento del electrón. En los tubos de vacío, un cátodo calentado emite una corriente de electrones que puede emplearse para amplificar o rectificar una corriente eléctrica. Si esa corriente se enfoca para formar un haz bien definido, éste se denomina haz de rayos catódicos. Si se dirige el haz de rayos catódicos hacia un objetivo adecuado se producen rayos X; si se dirigen hacia la pantalla fluorescente de un tubo de televisión, se obtienen imágenes visibles. Las partículas b positivas o negativas que emiten algunas sustancias radiactivas son electrones o positrones.

Los electrones también intervienen en los procesos químicos. Una reacción química de oxidación es un proceso en el cual una sustancia pierde electrones, y una reacción de reducción es un proceso en el cual una sustancia gana electrones.

En 1906, el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, mediante su experimento de “la gota de aceite”, determinó la carga del electrón: 1,602 × 10^-19 culombios ; su masa en reposo es 9,109.10^-31kg. La carga del electrón es la unidad básica de electricidad y se considera la carga elemental en el sentido de que todos los cuerpos cargados lo están con un múltiplo entero de dicha carga. El electrón y el protón poseen la misma carga, pero, convencionalmente, la carga del protón se considera positiva y la del electrón negativa.

 

Son partículas nucleares elementales eléctricamente neutras y de masa muy inferior a la del electrón (posiblemente nula). El neutrino es un fermión; su espín es y. Antes del descubrimiento del neutrino, parecía que en la emisión de electrones de la desintegración b no se conservaban la energía, el momento y el espín totales del proceso. Para explicar esa incoherencia, el físico austriaco Wolfgang Pauli dedujo las propiedades del neutrino en 1931.

Al no tener carga y poseer una masa despreciable, el neutrino es extremadamente difícil de detectar; las investigaciones confirmaron sus peculiares propiedades a partir de la medida del retroceso que provoca en otras partículas. Billones de neutrinos atraviesan la Tierra cada segundo, y sólo una minúscula proporción de los mismos interacciona con alguna otra partícula. Los físicos estadounidenses Frederick Reines y Clyde Lorrain Cowan, hijo, obtuvieron pruebas concluyentes de su existencia en 1956.

Los antineutrinos son emitidos en los procesos de desintegración b que producen electrones,

n → p + e +` n _e

mientras que los neutrinos se emiten junto con positrones en otras reacciones de desintegración b .

p ® n +` e + n _e

Algunos físicos conjeturan que en una extraña forma de radiactividad, llamada doble desintegración b , dos neutrinos pueden, en ocasiones, fusionarse para formar una partícula a la que denominan "mayorón". Otro tipo de neutrino de alta energía, llamado neutrino muónico, es emitido junto con un muón cuando se desintegra un pión. En estos casos debe emitirse una partícula neutra en sentido opuesto al del muón para conservar el momento. La suposición inicial era que esa partícula era el mismo neutrino que conserva el momento en la desintegración beta. En 1962, sin embargo, las investigaciones demostraron que el neutrino que acompaña la desintegración de piones es de tipo diferente. También existe un tercer tipo de neutrino, el neutrino t (y su antipartícula).

Actualmente, la posibilidad de que los neutrinos puedan oscilar entre una forma y otra resulta de gran interés. Hasta ahora, las pruebas en ese sentido son indirectas, pero, de confirmarse, sugerirían que el neutrino tiene una cierta masa, lo que tendría implicaciones profundas para la cosmología y la física en general: esta masa adicional en el universo podría suponer que el universo no siga expandiéndose indefinidamente sino que acabe por contraerse. Aunque existen distintas interpretaciones, algunos científicos consideran que la información sobre neutrinos obtenida de la supernova SN 1987A apoya la idea de que el neutrino tiene masa.

El fotón, cantidad mínima de energía de la luz u otra radiación electromagnética. Max Planck y Albert Einstein obtuvieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento de que la luz, que muchas veces se comporta como una onda, a veces se comporta como si estuviera compuesta por un haz de pequeñas partículas o cuantos de energía. La energía E de un fotón se expresa mediante la ecuación E = hn , donde h es una constante universal (la constante de Planck) y n es la frecuencia (número de oscilaciones por segundo) de la luz.

Gluón, partícula subatómica hipotética que transmite la fuerza de atracción entre los quarks. La mayoría de los físicos de partículas están de acuerdo en que todas las partículas elementales que forman la familia de los hadrones (entre los que figura el protón) están constituidas por diferentes combinaciones de seis tipos (probablemente) de quark. Se cree que estos quarks se mantienen unidos a través del intercambio de lo que, posiblemente, sean ocho tipos de gluones, o cuantos de campo (algunos teóricos, sin embargo, proponen un modelo de "diquarks" que no requiere gluones). La rama de la física de partículas que estudia estos fenómenos se conoce como cromodinámica cuántica.

 

 

 

 

Los protones y neutrones son los componentes básicos de los núcleos atómicos, que en combinación con los electrones forman los átomos. Los fotones son las unidades fundamentales de la radiación electromagnética, que incluye las ondas de radio, la luz visible y los rayos X.

Las partículas elementales eran, en un principio, unidades de materia consideradas fundamentales; en la actualidad, las partículas subatómicas en general. La física de partículas —el estudio de las partículas elementales y sus interacciones— también se llama física de altas energías porque la energía necesaria para estudiar distancias extremadamente pequeñas es muy elevada, como consecuencia del principio de incertidumbre. Originalmente se aplicó el término “partícula elemental” a estos constituyentes de la materia porque se creían indivisibles. Hoy se sabe que muchas de estas partículas son sumamente complejas, pero se las sigue llamando partículas elementales.

La física de partículas es la última etapa en el estudio de componentes de la materia cada vez más pequeños. Antes del siglo XX, los físicos estudiaban las propiedades de la materia macroscópica, a gran escala. Sin embargo, a finales del siglo XIX su atención se centró en la física de átomos y moléculas. Los átomos y las moléculas tienen diámetros del orden de 10^-10 m, y el estudio de sus estructuras provocó grandes avances de la teoría cuántica entre 1925 y 1930. A principios de la década de 1930, los científicos empezaron a investigar la estructura de los núcleos atómicos, que tienen diámetros de entre 10^-15 y 10^-14 metros. Los conocimientos sobre la estructura nuclear avanzaron hasta el punto de hacer posible el uso de la energía nuclear, tanto en las centrales nucleares como en las armas nucleares. En los años que siguieron a la II Guerra Mundial, los físicos se dieron cuenta de la necesidad de estudiar más en profundidad las partículas elementales para comprender la estructura fundamental de los núcleos atómicos.

 

La teoría nuclear moderna se basa en la idea de que los núcleos están formados por neutrones y protones que se mantienen unidos por fuerzas “nucleares” muy intensas. Para estudiar estas fuerzas, los físicos tienen que perturbar los neutrones y protones bombardeándolos con partículas extremadamente energéticas. Estos bombardeos han revelado más de 200 partículas elementales, minúsculos trozos de materia, la mayoría de los cuales sólo existe durante un tiempo mucho menor a 1/100.000.000 s.

Este mundo subnuclear salió a la luz por primera vez en los rayos cósmicos. Estos rayos están constituidos por partículas de muy alta energía que bombardean constantemente la Tierra desde el espacio exterior; muchas de ellas atraviesan la atmósfera y llegan incluso a penetrar en la corteza terrestre. La radiación cósmica incluye muchos tipos de partículas, de las que algunas tienen energías que superan con mucho a las logradas en los aceleradores de partículas. Cuando estas partículas altamente energéticas chocan contra los núcleos, pueden crearse nuevas partículas.

Las partículas elementales ejercen fuerzas sobre las demás partículas y son continuamente creadas y aniquiladas. En realidad, las fuerzas y los procesos de creación y aniquilación son fenómenos relacionados, y se denominan colectivamente interacciones o fuerzas fundamentales. Se conocen cuatro tipos de interacción (aunque se han postulado más)

Las partículas elementales dejan trazas en una cámara de burbujas, como la del CERN, cerca de Ginebra. Examinando dichas trazas, se pueden determinar ciertas propiedades de las partículas que atravesaron la cámara. Por ejemplo, la carga de una partícula puede determinarse a partir del tipo de trayectoria seguida. La cámara de burbujas se coloca en un campo magnético, con lo que la trayectoria de las partículas positivas se curva en un sentido, la de las negativas en sentido opuesto y la de las neutras no se curva. Los estudios con aceleradores han determinado que por cada partícula existe una antipartícula con la misma masa, cuya carga u otra propiedad electromagnética tiene signo opuesto a la de la partícula correspondiente.

Entre las primeras en ser observadas estuvieron los muones (detectados en 1937). El muón es esencialmente un electrón pesado, y puede tener carga positiva o negativa. Es aproximadamente 200 veces más pesado que un electrón. La existencia del pión fue profetizada en 1935 por el físico japonés Yukawa Hideki, y fue descubierto en 1947.

Según la teoría más aceptada, las partículas nucleares se mantienen unidas por “fuerzas de intercambio” en las que constantemente se intercambian piones comunes a los neutrones y los protones. La unión de los protones y los neutrones a través de los piones es similar a la unión en una molécula de dos átomos que comparten o intercambian un par de electrones. El pión, unas 200 veces más pesado que el electrón, puede tener carga positiva, negativa o nula.

En 1963, los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig propusieron la teoría de que los hadrones, es decir, las partículas nucleares, son en realidad combinaciones de otras partículas elementales llamadas quarks, cuyas interacciones son transmitidas por gluones, una especie de partículas. Ésta es la teoría subyacente de las investigaciones actuales, y ha servido para predecir la existencia de otras partículas. Los leptones son las partículas extranucleares.

Las interacciones o fuerzas fundamentales se transmiten mediante otro tipo de partículas, las llamadas partículas de intercambio o intermediarias, a las que se llama bosones (su espín es 0 o un número entero). Son partículas llamadas portadoras. Las partículas origen de la interacción son fermiones. Entre ellos se encuentran los electrones, los protones y los neutrones, tienen múltiplos semienteros de h, por ejemplo ±(1/2)h o ±(3/2)h. Cumplen el principio de exclusión (ver principio de exclusión) al contrario que los bosones.

Es un principio fundamental que afirma que dos partículas elementales de espín semientero, por ejemplo electrones, no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico (estado de energía) en un átomo. El principio explica las regularidades de la ley periódica. Posiblemente todavía no se comprendan completamente todas sus implicaciones. El principio de exclusión fue formulado en 1925 por el físico y matemático suizo de origen austriaco Wolfgang Pauli, que recibió el premio Nobel de Física en 1945.

Según la teoría cuántica, los estados posibles de los electrones en el átomo se especifican por cuatro números discretos llamados números cuánticos. Estos números cuánticos se emplean para describir matemáticamente un modelo tridimensional del átomo. El número cuántico principal, n, define el estado de energía principal, o capa, de un electrón en órbita. El número cuántico orbital, l, describe la magnitud del momento angular del electrón en órbita. El número cuántico m describe la orientación magnética en el espacio del plano de la órbita del electrón. El llamado espín se designa con el número cuántico de espín magnético, m_s, que puede adoptar el valor de -y o +y según la dirección del espín. Para cada número cuántico, salvo m_s, sólo están permitidos determinados valores enteros. Las consecuencias de esta regla están sustancialmente de acuerdo con la ley periódica.

Por ejemplo, cuando el número cuántico principal n es 1, la teoría cuántica sólo permite que el número orbital l y el número cuántico magnético m tengan un valor de 0, y que el número cuántico de espín m_s sea +y o -y. El resultado es que sólo hay dos combinaciones posibles de números cuánticos: 1-0-0-(+y) y 1-0-0-(-y). Según el principio de exclusión, cada una de estas dos combinaciones de números cuánticos puede ser adoptada por un único electrón. Por tanto, cuando el número cuántico principal es n = l, sólo dos electrones pueden ocupar esa capa electrónica.

Cuando n = 2, la teoría cuántica permite que l sea 0 o 1, m sea +1, 0, o -1, y m_s s sea +y o -y. Existen ocho combinaciones posibles de estos números cuánticos. Por tanto, en la segunda capa electrónica puede haber un máximo de ocho electrones. Con este método puede establecerse el número máximo de electrones permitidos en cada capa electrónica de cualquier átomo. La ley periódica se explica por el diferente grado de llenado de las capas electrónicas de los átomos.

El principio de exclusión de Pauli no sólo se aplica a los electrones de los átomos, sino también a los electrones libres que se desplazan a través de la materia en forma de corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial. Los protones y neutrones del núcleo también están organizados en estados cuánticos, y en cada estado sólo se permiten dos partículas de la misma clase y espín opuesto. Todos los fermiones (partículas de espín semientero) cumplen el principio de exclusión, pero no así los bosones, que tienen espín entero.

 

La antimateria es materia compuesta de partículas elementales que son imágenes especulares —en cierto sentido— de las partículas que forman la materia ordinaria que conocemos. Las antipartículas tienen la misma masa que las partículas correspondientes, pero su carga eléctrica y otras propiedades son inversas. Cuando una antipartícula interacciona con su partícula correspondiente, ambas se destruyen liberando energía en forma de fotones.

Por ejemplo, la antipartícula correspondiente al electrón, llamada positrón, tiene carga positiva, pero en todos los demás aspectos es idéntica al electrón. La antipartícula correspondiente al neutrón, que no tiene carga, difiere de éste por tener un momento magnético de signo opuesto (el momento magnético es otra propiedad electromagnética). En cuanto al resto de parámetros que determinan las propiedades dinámicas de las partículas elementales, como la masa o los tiempos de desintegración, las antipartículas son idénticas a las partículas correspondientes.

La existencia de antipartículas fue propuesta por motivos teóricos por el físico británico Paul Adrien Maurice Dirac, como resultado de su intento de aplicar a la teoría cuántica las técnicas de la mecánica relativista. En 1928 desarrolló el concepto de un electrón con carga positiva; la existencia del positrón se demostró experimentalmente en 1932 por el estadouniense Carl David Anderson. El antiprotón fue descubierto en 1955 por los físicos estadounidenses Owen Chamberlain y Emilio Segre. La existencia y la del antineutrón se suponía, pero no se confirmó hasta 1955, cuando fueron observados en aceleradores de partículas.

En la actualidad se han observado directa o indirectamente todas las antipartículas, aunque algunas, como el fotón, son sus propias antipartículas. Se las designa con las mismas letras simbólicas que las partículas correspondientes, pero colocándoles una barra superior horizontal.

Un problema profundo en la física de partículas, y en la cosmología en general, es la aparente escasez de antipartículas en el universo. Es comprensible que no existan en la Tierra más que momentáneamente, puesto que las partículas y las antipartículas se aniquilan mutuamente cuando chocan, liberando una gran energía. Es posible que existan galaxias distantes compuestas de antimateria, pero no existen métodos directos de confirmación. Casi toda la información del universo lejano nos llega en forma de fotones, que son sus propias antipartículas y por ello no revelan demasiado sobre la naturaleza de sus fuentes. Sin embargo, la opinión mayoritaria es que el universo está compuesto en su inmensa mayoría de materia "ordinaria", y se han propuesto explicaciones para ello en la teoría cosmológica reciente.

Durante mucho tiempo, los físicos han buscado una teoría para poner orden en el confuso mundo de las partículas. Las partículas elementales se pueden dividir en distintas categorías generales, por ejemplo, según la fuerza que domina sus interacciones. Todas se ven afectadas por la gravedad, que sin embargo es extremadamente débil a escala subatómica.

___________________________________________________________________________

___________________________________________________________________________

 

Los hadrones están sometidos a la fuerza nuclear fuerte y al electromagnetismo. Están compuestos por quarks y antiquarks

Los leptones “sienten” las fuerzas electromagnética y nuclear débil.

Los bosones incluyen el fotón, que “transmite” la fuerza electromagnética, las partículas W y Z, portadoras de la fuerza nuclear débil, los gluones, que trasmiten las interacciones entre quarks y el hipotético portador de la gravitación (gravitón).

Son miembros de una extensa familia de partículas elementales que interaccionan a través de la llamada fuerza nuclear fuerte; esta fuerza no sólo mantiene unidos a los protones y neutrones en los núcleos atómicos, sino que también rige el comportamiento de los hadrones cuando se hacen colisionar partículas de alta energía con los núcleos. Las otras fuerzas naturales fundamentales también actúan sobre los hadrones. Todos, salvo los protones y los neutrones nucleares, son inestables y se desintegran para formar otros hadrones. Entre ellos existen dos clases de partículas: mesones y bariones. Los primeros incluyen el pión y el kaón, más ligeros. Los bariones son las partículas más pesadas, entre las que figuran los protones, los neutrones y los hiperones, partículas muy pesadas que se desintegran para dar lugar a protones o neutrones.

Los bariones pertencen a la clase de partículas elementales más pesadas, que engloba los nucleones (neutrones y protones) y los hiperones, de mayor peso e inestables (l , s , x , y w ). Están constituidos por tres quarks, y los antibariones por tres antiquarks. Interaccionan a través de la fuerza nuclear fuerte, responsable de la cohesión de los nucleones en los núcleos atómicos. La ley de conservación de bariones, una ley física fundamental, afirma que en cualquier interacción de partículas elementales el número bariónico total permanece constante. A los bariones se les asigna el número bariónico +1, a los antibariones -1, y a las partículas que no son bariones, 0. Según algunas teorías de gran unificación, sin embargo, el número bariónico podría no conservarse en las interacciones de muy alta energía o a lo largo de periodos extremadamente prolongados.

El protón, partícula nuclear con carga positiva igual en magnitud a la carga negativa del electrón; junto con el neutrón, está presente en todos los núcleos atómicos. Al protón y al neutrón se les denomina también nucleones. El núcleo del atómo de hidrógeno está formado por un único protón. La masa de un protón es de 1,6726 × 10^-27 kg, aproximadamente 1.836 veces la del electrón. Por tanto, la masa de un átomo está concentrada casi exclusivamente en su núcleo. El protón tiene un momento angular intrínseco, o espín, y, por tanto, un momento magnético. Por otra parte, el protón cumple el principio de exclusión.

Son parte esencial de la materia ordinaria, y son estables a lo largo de periodos de miles de millones, incluso billones, de años. No obstante, interesa saber si los protones acaban desintegrándose, en una escala temporal de 10³³ años o más. Este interés se deriva de los actuales intentos de lograr teorías de unificación que combinen las cuatro interacciones fundamentales de la materia en un único esquema. Muchas de las teorías propuestas implican que el protón es, en último término, inestable, por lo que los grupos de investigación de numerosos aceleradores de partículas están llevando a cabo experimentos para detectar la desintegración de un protón. Hasta ahora no se han encontrado pruebas claras; los indicios observados pueden interpretarse de otras formas.

El antiprotón posee carga negativa y no forma parte de los núcleos atómicos. Es estable en el vacío y no se desintegra espontáneamente. Sin embargo, si colisiona con un protón, ambas partículas se transforman en mesones, cuya vida media es extremadamente breve. Si bien su existencia se postuló por primera vez en la década de 1930, el antiprotón no se identificó hasta 1955, en el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California.

Los neutrones son partículas sin carga que constituye una de las partículas fundamentales que componen la materia. La masa de un neutrón es de 1,675 × 10^-27 kg, aproximadamente un 0,125% mayor que la del protón. Su existencia fue profetizada en 1920 por el físico británico Ernest Rutherford y por científicos australianos y estadounidenses, pero la verificación experimental de su existencia resultó difícil debido a que la carga eléctrica del neutrón es nula y la mayoría de los detectores de partículas sólo registran las partículas cargadas. Fue identificado por primera vez en 1932 por el físico británico James Chadwick, que interpretó correctamente los resultados de los experimentos realizados en aquella época por los físicos franceses Irène y Frédéric Joliot-Curie y otros científicos. Los Joliot-Curie habían producido un tipo de radiación anteriormente desconocida mediante la interacción de partículas alfa con núcleos de berilio. Cuando esta radiación se hacía pasar a través de una capa de parafina, las colisiones entre la radiación y los átomos de hidrógeno de la parafina producían protones fácilmente detectables. Chadwick se dio cuenta de que la radiación estaba formada por neutrones.

Son partículas constituyentes de todos los núcleos salvo el del hidrógeno ordinario. Los libres -que no forman parte de un núcleo atómico- se producen en reacciones nucleares. Pueden ser expulsados de los núcleos atómicos con diferentes velocidades o energías, y son fácilmente frenados hasta alcanzar una energía muy baja a través de una serie de colisiones con núcleos ligeros como los del hidrógeno, el deuterio o el carbono. Cuando son expulsados del núcleo, son inestables, y se desintegran para dar lugar a un protón, un electrón y un neutrino.

Al igual que el protón y el electrón, el neutrón poseen momento angular intrínseco o espín. Actúan como pequeños imanes individuales; esta propiedad permite la creación de haces de neutrones polarizados. El neutrón tiene un momento magnético negativo de -1,913141 magnetones nucleares, aproximadamente una milésima del valor del magnetón de Bohr. Su vida media es de aproximadamente 10 minutos.

El antineutrón tiene su misma masa, espín y tasa de desintegración beta. Estas partículas se producen en ocasiones en la colisión de antiprotones con protones, y poseen un momento magnético igual en magnitud y opuesto en signo al del neutrón. Ambos están compuestos, a su vez, de quarks.

 

No interaccionan a través de la fuerza nuclear fuerte, son eléctricamente neutros o tienen carga unidad, y son fermiones porque tienen espín semientero.. Al contrario que los hadrones, que están compuestos por quarks, los leptones no parecen tener ninguna estructura interna. Los leptones engloban el electrón, el muón, el tau (t ) y las tres clases de neutrino (n ) asociadas respectivamente con cada uno de los otros tres leptones. Cada uno tiene su antipartícula correspondiente. Aunque todos son relativamente ligeros, sus propiedades son muy diferentes. El electrón, por ejemplo, tiene carga negativa, y es estable, lo que quiere decir que no se desintegra para dar lugar a otras partículas elementales; el muón también tiene carga negativa, pero su masa es unas 200 veces superior a la del electrón, y se desintegra produciendo otras partículas. Los leptones interaccionan con otras partículas a través de la fuerza nuclear débil (la fuerza que rige la desintegración radiactiva), la fuerza electromagnética y la fuerza gravitatoria.

Partículas elementales de carga negativa que forma parte de la familia de los leptones y que, junto con los protones y los neutrones, forma los átomos y las moléculas. Los electrones están presentes en todos los átomos y cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres.

En el siglo XIX ya se sospechaba que los portadores de las cargas eléctricas eran partículas extremadamente pequeñas, y los experimentos electroquímicos indicaban que la carga de esas partículas elementales era una cantidad definida e invariante. Los experimentos sobre conducción de electricidad en gases a baja presión llevaron al descubrimiento de dos clases de rayos: los rayos catódicos, procedentes del electrodo negativo de un tubo de descarga, y los rayos positivos o rayos canales, procedentes del electrodo positivo. El experimento realizado por Joseph John Thomson en 1895 midió la relación entre la carga q y la masa m de las partículas de los rayos catódicos. En 1899 Lenard confirmó que esta relación era la misma en las partículas emitidas en el efecto fotoeléctrico. Hacia 1911 Millikan determinó por fin que la carga eléctrica siempre aparece en múltiplos de una unidad básica e, y midió su valor, que es de 1,602 × 10-19 culombios. A partir del valor obtenido para la relación q/m, se determinó que la masa del portador de carga, denominado electrón, es de 9,109 × 10-31 kilogramos.

Posteriormente Thomson y otros demostraron que los rayos positivos también estaban formados por partículas, pero con carga de signo positivo. Estas partículas (en la actualidad se sabe que son iones positivos producidos al eliminar electrones de un átomo neutro) tienen una masa muchísimo mayor que la del electrón. La más pequeña, el ion hidrógeno, está formado por un solo protón (con carga e pero de signo positivo) y tiene una masa de 1,673 × 10-27 kg, unas 1.800 veces mayor que la del electrón (véase Ionización). La naturaleza “cuantizada” de la carga eléctrica había quedado firmemente establecida, y al mismo tiempo se habían identificado dos de las partículas subatómicas fundamentales

Los electrones intervienen en una gran variedad de fenómenos físicos y químicos. Se dice que un objeto está cargado eléctricamente si sus átomos tienen un exceso de electrones (posee carga negativa) o un déficit de los mismos (posee carga positiva). El flujo de una corriente eléctrica en un conductor es causado por el movimiento de los electrones libres del conductor. La conducción del calor también se debe fundamentalmente a la actividad electrónica. El estudio de las descargas eléctricas a través de gases enrarecidos en los tubos de vacío fue el origen del descubrimiento del electrón. En los tubos de vacío, un cátodo calentado emite una corriente de electrones que puede emplearse para amplificar o rectificar una corriente eléctrica. Si esa corriente se enfoca para formar un haz bien definido, éste se denomina haz de rayos catódicos. Si se dirige el haz de rayos catódicos hacia un objetivo adecuado se producen rayos X; si se dirigen hacia la pantalla fluorescente de un tubo de televisión, se obtienen imágenes visibles. Las partículas b positivas o negativas que emiten algunas sustancias radiactivas son electrones o positrones.

Los electrones también intervienen en los procesos químicos. Una reacción química de oxidación es un proceso en el cual una sustancia pierde electrones, y una reacción de reducción es un proceso en el cual una sustancia gana electrones.

En 1906, el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, mediante su experimento de “la gota de aceite”, determinó la carga del electrón: 1,602 × 10^-19 culombios ; su masa en reposo es 9,109.10^-31kg. La carga del electrón es la unidad básica de electricidad y se considera la carga elemental en el sentido de que todos los cuerpos cargados lo están con un múltiplo entero de dicha carga. El electrón y el protón poseen la misma carga, pero, convencionalmente, la carga del protón se considera positiva y la del electrón negativa.

 

Son partículas nucleares elementales eléctricamente neutras y de masa muy inferior a la del electrón (posiblemente nula). El neutrino es un fermión; su espín es y. Antes del descubrimiento del neutrino, parecía que en la emisión de electrones de la desintegración b no se conservaban la energía, el momento y el espín totales del proceso. Para explicar esa incoherencia, el físico austriaco Wolfgang Pauli dedujo las propiedades del neutrino en 1931.

Al no tener carga y poseer una masa despreciable, el neutrino es extremadamente difícil de detectar; las investigaciones confirmaron sus peculiares propiedades a partir de la medida del retroceso que provoca en otras partículas. Billones de neutrinos atraviesan la Tierra cada segundo, y sólo una minúscula proporción de los mismos interacciona con alguna otra partícula. Los físicos estadounidenses Frederick Reines y Clyde Lorrain Cowan, hijo, obtuvieron pruebas concluyentes de su existencia en 1956.

Los antineutrinos son emitidos en los procesos de desintegración b que producen electrones,

n → p + e +` n _e

mientras que los neutrinos se emiten junto con positrones en otras reacciones de desintegración b .

p ® n +` e + n _e

Algunos físicos conjeturan que en una extraña forma de radiactividad, llamada doble desintegración b , dos neutrinos pueden, en ocasiones, fusionarse para formar una partícula a la que denominan "mayorón". Otro tipo de neutrino de alta energía, llamado neutrino muónico, es emitido junto con un muón cuando se desintegra un pión. En estos casos debe emitirse una partícula neutra en sentido opuesto al del muón para conservar el momento. La suposición inicial era que esa partícula era el mismo neutrino que conserva el momento en la desintegración beta. En 1962, sin embargo, las investigaciones demostraron que el neutrino que acompaña la desintegración de piones es de tipo diferente. También existe un tercer tipo de neutrino, el neutrino t (y su antipartícula).

Actualmente, la posibilidad de que los neutrinos puedan oscilar entre una forma y otra resulta de gran interés. Hasta ahora, las pruebas en ese sentido son indirectas, pero, de confirmarse, sugerirían que el neutrino tiene una cierta masa, lo que tendría implicaciones profundas para la cosmología y la física en general: esta masa adicional en el universo podría suponer que el universo no siga expandiéndose indefinidamente sino que acabe por contraerse. Aunque existen distintas interpretaciones, algunos científicos consideran que la información sobre neutrinos obtenida de la supernova SN 1987A apoya la idea de que el neutrino tiene masa.

El fotón, cantidad mínima de energía de la luz u otra radiación electromagnética. Max Planck y Albert Einstein obtuvieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento de que la luz, que muchas veces se comporta como una onda, a veces se comporta como si estuviera compuesta por un haz de pequeñas partículas o cuantos de energía. La energía E de un fotón se expresa mediante la ecuación E = hn , donde h es una constante universal (la constante de Planck) y n es la frecuencia (número de oscilaciones por segundo) de la luz.

Gluón, partícula subatómica hipotética que transmite la fuerza de atracción entre los quarks. La mayoría de los físicos de partículas están de acuerdo en que todas las partículas elementales que forman la familia de los hadrones (entre los que figura el protón) están constituidas por diferentes combinaciones de seis tipos (probablemente) de quark. Se cree que estos quarks se mantienen unidos a través del intercambio de lo que, posiblemente, sean ocho tipos de gluones, o cuantos de campo (algunos teóricos, sin embargo, proponen un modelo de "diquarks" que no requiere gluones). La rama de la física de partículas que estudia estos fenómenos se conoce como cromodinámica cuántica.