¿Cuántas fuerzas hay en la física?

Hay cuatro fuerzas fundamentales:

Fuerza electromagnética: las fuerzas eléctricas y magnéticas entran en esta categoría. El fenómeno eléctrico en ciertos marcos inerciales puede verse como un fenómeno magnético en otros marcos inerciales, por lo tanto, la fuerza eléctrica y la fuerza magnética son dos lados de la misma fuerza, llamada fuerza electromagnética. Curiosamente, las fuerzas como la fricción y la reacción normal también entran en esta categoría.
Fuerza nuclear débil: es responsable de la desintegración radioactiva. También juega un papel en la fisión nuclear. La teoría electrodébil unificó esta fuerza con la fuerza electromagnética. A aproximadamente 10 ^ 15 K de temperatura, la fuerza nuclear débil se combina con la fuerza electromagnética para formar una fuerza electrodébil.
Fuerza nuclear fuerte : esta fuerza es la fuerza más fuerte en la naturaleza. Mantiene los neutrones y los protones cargados positivamente unidos en el núcleo, a pesar de la fuerte repulsión. Los nucleones se mantienen unidos por intercambio de mesones . La teoría de la gran unificación (GUT) unificó esta fuerza con las dos fuerzas anteriores. Entonces estas tres fuerzas pueden ser llamadas colectivamente “fuerzas no gravitacionales”.
Fuerza gravitacional: La más débil de todas las fuerzas fundamentales, la fuerza gravitacional se explica mejor por la teoría general de la relatividad de Einstein. El desplazamiento gravitacional al rojo, la dilatación del tiempo gravitacional, etc. son algunas de las consecuencias de la fuerza gravitacional. Aunque se considera la fuerza más débil, es la única fuerza significativa que determina el movimiento de los objetos astronómicos. Esta fuerza no ha sido unificada con ninguna de las fuerzas no gravitacionales. Por lo tanto, la relatividad general clásica no tiene un modelo cuántico, y su unificación es, por lo tanto, un tema de investigación en curso.

Entonces, después de la Gran Unificación de las tres primeras fuerzas, las fuerzas fundamentales se pueden clasificar en dos categorías:

Fuerzas no gravitacionales: estas fuerzas pueden explicarse por la mecánica cuántica y han sido unificadas por el GUT .
Fuerza gravitacional: puede ser explicada por la relatividad general. En la mecánica cuántica, una partícula hipotética llamada gravitón es responsable de esta fuerza. Si bien esta partícula no se descubre, la Relatividad General sigue siendo la mejor explicación (aunque no completa).

Propiedades de las Fuerzas Fundamentales.

La interacción fuerte es muy fuerte, pero de muy corto alcance. Actúa solo en rangos de orden de 10-13 centímetros y es responsable de mantener unidos los núcleos de los átomos. Es básicamente atractivo, pero puede ser efectivamente repulsivo en algunas circunstancias.
La fuerza electromagnética causa efectos eléctricos y magnéticos, como la repulsión entre cargas eléctricas similares o la interacción de los imanes de barra. Es de largo alcance, pero mucho más débil que la fuerza fuerte. Puede ser atractivo o repulsivo, y actúa solo entre piezas de materia que llevan carga eléctrica.
La fuerza débil es responsable de la desintegración radioactiva y las interacciones de neutrinos. Tiene un rango muy corto y, como su nombre lo indica, es muy débil.
La fuerza gravitacional es débil, pero de largo alcance. Además, siempre es atractivo, y actúa entre dos piezas de materia en el Universo ya que la masa es su fuente.

La tortuga y la liebre: la gravedad siempre gana

Las cuatro fuerzas fundamentales juegan un papel central en hacer que el Universo sea lo que es hoy, pero con respecto a los temas a gran escala que son de interés para la cosmología, lo más importante es la gravedad. Esto se debe a dos de sus propiedades básicas que lo diferencian de las otras fuerzas: (1) es de largo alcance y, por lo tanto, puede actuar sobre distancias cosmológicas, y (2) siempre suministra una fuerza atractiva entre dos piezas de materia. En el universo.
Por lo tanto, aunque la gravitación es extremadamente débil, siempre gana sobre distancias cosmológicas y, por lo tanto, es la fuerza más importante para la comprensión de la estructura a gran escala y la evolución del Universo.

Unificación de las fuerzas de la naturaleza.

Aunque la discusión anterior indica que las fuerzas fundamentales en nuestro Universo presente son distintas y tienen características muy diferentes, el pensamiento actual en la física teórica es que esto no siempre fue así. Existe una creencia bastante fuerte (aunque todavía no se ha confirmado experimentalmente) de que en el Universo muy temprano, cuando las temperaturas eran muy altas en comparación con las actuales, las fuerzas débiles, electromagnéticas y fuertes se unificaron en una sola fuerza. Solo cuando la temperatura bajó, estas fuerzas se separaron unas de otras, con la fuerza fuerte separándose primero y luego a una temperatura aún más baja las fuerzas electromagnéticas y débiles se separaron para dejarnos con las 4 fuerzas distintas que vemos en nuestro Universo presente. El proceso de las fuerzas que se separan entre sí se llama ruptura espontánea de la simetría .
Existe una especulación adicional, que es incluso menos firme que la anterior, de que a temperaturas aún más altas (la Escala de Planck), las cuatro fuerzas se unificaron en una sola fuerza. Luego, a medida que la temperatura bajaba, la gravitación se separaba primero y luego las otras 3 fuerzas se separaban como se describe anteriormente. Las escalas de tiempo y temperatura para esta pérdida secuencial propuesta de la unificación se ilustran en la siguiente tabla.
Pérdida de Unidad en las Fuerzas de la Naturaleza Caracterización Fuerzas Tiempo Unificado desde el Principio de la Temperatura (GeV) * Las 4 fuerzas unificadas Gravedad, Fuerte, Electromagnética, Débil ~ 0 ~ infinita Gravedad (Escala de Planck) Fuerte, Electromagnética, Débil 10-43 s1019La fuerza de fuerza se separa (Escala de GAC) Fuerte, Electromagnético, Débil 10-43 S1019La fuerza de fuerza se separa (Escala de GUT) , Débil10-35 s1014 Fractura de fuerzas débiles y electromagnéticasNone10-11 s100 Universo actualNone1010 y10-12 * Conversión de temperatura: 1 GeV = 1.2 x 1013 K
Las teorías que postulan la unificación de las fuerzas fuertes, débiles y electromagnéticas se denominan teorías del gran unificado (a menudo conocidas por el acrónimo GUT). Las teorías que agregan gravedad a la mezcla e intentan unificar las cuatro fuerzas fundamentales en una sola fuerza se denominan Teorías Superunificadas . La teoría que describe las interacciones electromagnéticas y débiles unificadas se denomina teoría estándar de Electroweak o, a veces, solo el modelo estándar .
Las grandes teorías unificadas y superunificadas siguen siendo especulaciones teóricas que aún no se han probado, pero existe una fuerte evidencia experimental de la unificación de las interacciones electromagnéticas y débiles en la teoría estándar de Electroweak. Además, aunque los GUT no se han probado experimentalmente, existe una fuerte evidencia circunstancial que sugiere que se requiere una teoría al menos como una Gran Teoría Unificada para dar sentido al Universo.