Este documento describe la teoría de campos unificados y las diferentes interacciones fundamentales. Explica que existen cuatro fuerzas fundamentales - gravitación, electromagnética, fuerte y débil - y que la teoría del todo busca unificarlas mediante una sola ecuación. También analiza los campos eléctrico, magnético y gravitacional, e introduce conceptos como el modelo estándar de la física de partículas.

1. GRUPO Nº 11
November 24, 2014
Autores: Galo Castillo López – Daniel Martínez Baquerizo – Juan Saltos Núñez
TEORÍA DE CAMPOS UNIFICADOS
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2. I
ÍNDICE DE GRÁFICOS
ILUSTRACIÓN 1:CAMPO MAGNÉTICO...................................................................................................................................4
ILUSTRACIÓN 2:CAMPO MAGNÉTICO...................................................................................................................................5
ILUSTRACIÓN 3:CAMPO GRAVITACIONAL.............................................................................................................................6
ILUSTRACIÓN 4:ALBERT EINSTEIN .......................................................................................................................................7
ILUSTRACIÓN 5:TELECOMUNICACIONES............................................................................................................................10
ILUSTRACIÓN 6:ANTENAS YSEÑALES ................................................................................................................................11
ILUSTRACIÓN 7:LEPTONES ...............................................................................................................................................13
ILUSTRACIÓN 8:BOSÓN ...................................................................................................................................................14
ILUSTRACIÓN 9:INTERACCIONES.......................................................................................................................................17
ILUSTRACIÓN 10:ONDULAMIENTO DEL ESPACIO...............................................................................................................18
ILUSTRACIÓN 11:FLUCTUACIONES DEL QUANTUM............................................................................................................19
ILUSTRACIÓN 12:DOBLAMIENTO DEL ESPACIO TIEMPO......................................................................................................20
ILUSTRACIÓN 13:CAMPO GRAVITACIONAL SOLAR YTERRESTRE..........................................................................................21
ILUSTRACIÓN 14:AGUJEROS DEGUSANOS........................................................................................................................22

3. II
ÍNDICE DE ECUACIONES
ECUACIÓN 1:INTERACCIÓN DÉBIL........................................................................................................................................6
ECUACIÓN 2:CROMODINÁMICA.......................................................................................................................................15

4. III
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 1: LEPTONES .........................................................................................................................................................12

5. Contenido
ÍNDICE DE GRÁFICOS ............................................................................................................ I
ÍNDICE DE ECUACIONES....................................................................................................... II
ÍNDICE DE TABLAS.............................................................................................................. III
CAPÍTULO 1..........................................................................................................................1
INTRODUCCIÓN................................................................................................................1
INTERACCIONES FUNDAMENTALES....................................................................................2
Campo Magnético.........................................................................................................3
Campo Eléctrico............................................................................................................4
El Campo Gravitacional..................................................................................................5
CAPÍTULO 2..........................................................................................................................9
APLICACIONES COTIDIANAS...............................................................................................9
FUNCIONAMIENTO.........................................................................................................12
Modelo Estándar.........................................................................................................12
CAPÍTULO 3........................................................................................................................16
3.1 Glashow-Weinberg-Salam Unified Field Theory...........................................................16
3.2 Gran Teoría Unificada................................................................................................16
3.3 Teoría del Todo.........................................................................................................17
3.4 Consecuencias de la Teoría del Todo..........................................................................20
Bibliografía.........................................................................................................................23

6. 1
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
esde el comienzo de la historia, los humanos han tratado de explicar todos
los fenómenos en la naturaleza con el propósito de fomentar su
comprensión y explicar esos descubrimientos a otras generaciones, además
de mejorar y facilitar el trabajo humano en la Tierra y es por eso que muchos
científicos famosos como Albert Einstein e Isaac Newton han hecho su contribución
como personas dedicadas a la ciencia, y también han ayudado a "construir y entender"
el mundo que todos conocemos hasta hoy.
En primer lugar vamos a ver dónde empezó todo; La Teoría de Campos
Unificados o Teoría del Todo, era el sueño de Einstein en la que se supone que la
gravedad, la electricidad y el magnetismo podrían combinarse; sin embargo,
lamentablemente no pudo cumplirlo. Esta teoría hipotética de la Física debe explicar
todas las fuerzas de la naturaleza, la explicación y la conexión de todos los de
fenómenos físicos conocidos por la humanidad. Consiste en una sola ecuación que
interpreta todos los fenómenos físicos y que responde a las preguntas más
fundamentales sobre el Universo.
La Teoría de Campos Unificados unificaría la mecánica cuántica1 y la relatividad
general, por lo que implica un estudio de todas las fuerzas que intervienen en la
"Teoría del Todo". Esta teoría no es sólo una de las teorías más importantes jamás
desarrolladas, a pesar de que hay todavía mucho por descubrir y entender en ello, sino
que también es una de las teorías más desconocidas y poco valoradas por las personas
que no tienden a preocuparse por la ciencia. A pesar que la Teoría del Todo es sólo una
teoría hipotética, hay algunos campos como el eléctrico y el campo magnético que ya
han sido unificados, creando el campo electromagnético, que nos ha ayudado a
1 La mecánica cuántica describe,en su visión más ortodoxa,cómo en cualquier sistema físico –y por
tanto, en todo el universo–existe una diversa multiplicidad de estados,los cuales habiendo sido
descritos mediante ecuaciones matemáticas por los físicos,son denominados estados cuánticos.Deesta
forma la mecánica cuánticapuede explicar laexistenciadel átomo y revelar los misterios dela
estructura atómica,tal como hoy son entendidos; fenómenos que no puede explicar debidamente la
física clásica o más propiamente la mecánica clásica.
D

7. Teoría de campos unificados
2
desarrollar la tecnología de algunas cosas que vemos como comunes hoy en día tales
como las telecomunicaciones, controlar microondas y más.
De acuerdo con lo que hemos investigado, hemos encontrado que hay
diferentes campos que contribuyeron a explicar el mundo de la física con diferentes
ecuaciones, teoremas y desarrollaron una gran cantidad de conceptos acerca de la
Teoría de Campos Unificados anteriormente mencionado.
Hasta el momento se conocen cuatro tipos de fuerzas o interacciones básicas
en la naturaleza. La más débil es la fuerza de gravitación, la cual es de largo alcance, al
igual que la electromagnética. Sin embargo, debido a que las cargas gravitacionales no
se repelan (la masa es siempre positiva), esta interacción domina a escala cósmica. La
teoría moderna de la gravitación, necesaria para describir con exactitud tanto el
movimiento de los planetas (incluso de los satélites geoestacionarios), como la
evolución del Universo, es la relatividad general; se basa en la equivalencia entre un
campo gravitatorio y un sistema de referencia no-inercial (acelerado).
INTERACCIONES FUNDAMENTALES
De acuerdo con la teoría no relativista de Newton, la interacción gravitatoria
entre dos partículas cuya masa sea del orden de las masas atómicas, digamos de masa
igual a la del protón 𝑚 𝑝, está caracterizada por una constante adimensional
extraordinariamente pequeña. En el micromundo se desarrollan procesos a energías
comparables con la energía en reposo de las partículas. Por lo tanto, las teorías que
describen las interacciones a esa escala deben ser consistentes con la relatividad
especial y la mecánica cuántica. Esto es posible precisamente en el formalismo de la
teoría cuántica de campos, que hace uso de una función Lagrangiana (análogamente al
caso de la mecánica), a partir de la cual se obtienen las ecuaciones del movimiento).
Sin embargo, estas ecuaciones del movimiento no describen partículas aisladas, sino
campos. Este formalismo, capaz de describir los procesos de aniquilación y creación de
partículas, constituye el lenguaje de la física de altas energías.
Pero, antes de explicar los campos que conocemos hoy en día, es importante
explicar lo que de acuerdo a un campo de la física es. Un campo es un concepto que

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3
utilizamos para representar magnitudes físicas o explicar cómo las principales fuerzas
en el universo actúan en ella. Entre los principales campos tenemos a:
Campo magnético
Campo eléctrico
Campo gravitacional
Campo Magnético
Un campo magnético es una descripción matemática de la influencia magnética
de las corrientes eléctricas y de los materiales magnéticos. El campo magnético en
cualquier punto está especificado por dos valores, la dirección y la magnitud; de tal
forma que es un campo vectorial. Específicamente, el campo magnético es un vector
axial2, como lo son los momentos mecánicos y los campos rotacionales. El campo
magnético es más comúnmente definido en términos de la fuerza de Lorentz ejercida
en cargas eléctricas. Campo magnético puede referirse a dos separados pero muy
relacionados símbolos B y H.
Los campos magnéticos son producidos por cualquier carga eléctrica en movimiento y
el momento magnético intrínseco de las partículas elementales asociadas con una
propiedad cuántica fundamental, su espín. En la relatividad especial, campos eléctricos
y magnéticos son dos aspectos interrelacionados de un objeto, llamado el tensor
electromagnético. Las fuerzas magnéticas dan información sobre la carga que lleva un
material a través del efecto Hall. La interacción de los campos magnéticos en
dispositivos eléctricos tales como transformadores es estudiada en la disciplina de
circuitos magnéticos.
2 Un vector axial o pseudovector es una magnitud física que presenta propiedades de covarianciao
transformación bajo reflexiones anómalas,presentando violaciones aparentes de la paridad física.
Algunos ejemplos de vectores axiales son el momento angular,el momento de una fuerza, la velocidad
angular y el campo magnético.

9. Teoría de campos unificados
4
Ilustración 1: Campo magnético
Campo Eléctrico
El campo eléctrico es un campo físico que es representado mediante un modelo
que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza
eléctrica.1 Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual
de valor q sufre los efectos de una fuerza eléctrica. Los campos eléctricos pueden
tener su origen tanto en cargas eléctricas como en campos magnéticos variables. Las
primeras descripciones de los fenómenos eléctricos, como la ley de Coulomb, sólo
tenían en cuenta las cargas eléctricas, pero las investigaciones de Michael Faraday y los
estudios posteriores de James Clerk Maxwell permitieron establecer las leyes
completas en las que también se tiene en cuenta la variación del campo magnético.
Esta definición general indica que el campo no es directamente medible, sino
que lo que es observable es su efecto sobre alguna carga colocada en su seno. La idea
de campo eléctrico fue propuesta por Faraday al demostrar el principio de inducción
electromagnética en el año 1832. Después de la débil, la más intensa es la fuerza
electromagnética, entre cuyas múltiples acciones está la de atraer protones y
electrones entre sí para formar el átomo. La existencia de cargas eléctricas de signos
contrarios conduce al apantallamiento de la fuerza electrostática: una carga eléctrica
tiende siempre a neutralizarse atrayendo cargas opuestas. Esto ocurre en el átomo, en
la molécula, en el sólido y en cualquier cuerpo microscópico.
Más información en web…

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5
Ilustración 2: Campo magnético
El Campo Gravitacional
En física, el campo gravitatorio o campo gravitacional es un campo de fuerzas
que representa la gravedad. Si se dispone en cierta región del espacio una masa M, el
espacio alrededor de M adquiere ciertas características que no disponía cuando no
estaba M. Este hecho se puede comprobar acercando otra masa m y constatando que
se produce la interacción. A la situación física que produce la masa M se la denomina
campo gravitatorio. Afirmar que existe algo alrededor de M es puramente
especulativo, ya que sólo se nota el campo cuando se coloca la otra masa m, a la que
se llama masa testigo.
El tratamiento que recibe este campo es diferente según las necesidades del
problema. Fuerzas creadas por un campo gravitatorio pueden viajar a lo largo del
espacio lejano y pueden afectar a los órganos que son incluso en diferentes galaxias.
Este campo puede producir altas fuerzas de distancia. A la gravitación le sigue en
intensidad la llamada fuerza débil, agente de ciertas desintegraciones radioactivas en
que aparecen electrones y neutrinos, tales como la desintegración beta.

11. Teoría de campos unificados
6
Ilustración 3: Campo gravitacional
Sin embargo existen otras dos tipos de interacciones:
1. Interacciones Fuertes
2. Interacciones Débiles
Hasta 1967 los fenómenos de las interacciones débiles se describían
satisfactoriamente mediante un modelo fenomenológico debido a Enrico Fermi, que
utilizaba la corriente débil 𝐽𝜆(𝑥), a la cual contribuye una parte hadrónica (se llaman
hadrones a las partículas que interactúan fuertemente, como los bariones y los
mesones) y otra parte leptónica (los leptones no interactúan fuertemente, son
leptones, por ejemplo, el electrón y su neutrino asociado). Matemáticamente la
interacción débil se describía mediante una función Lagrangiana,
Ecuación 1: Interacción débil
𝐿 𝐹 =
𝐺𝐹
√2
𝐽𝜆(𝑥)𝐽𝜆
+
(𝑥)
Donde 𝐽𝜆 es un cuatrivector, 𝐽𝜆
+
es su conjugado hermítico y 𝐺𝐹 la constante de
acoplamiento débil.

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7
A Albert Einstein Ie cabe el mérito de haber formulado un nuevo principio de
relatividad, que estableció un límite a la velocidad de propagación de toda señal que
transporte información. El principio de relatividad einsteniano, además, trajo como
consecuencia la unificación del espacio y el tiempo en una nueva entidad, el espacio-
tiempo, en el cual la unificación de electricidad y magnetismo descubierta por James
Clerk Maxwell se hace matemáticamente más evidente. En sus últimos años Einstein
buscó, aunque sin éxito, una teoría unificadora de las interacciones electromagnética y
gravitacional. Inspirados en sus ideas, Kaluza y Klein propusieron un modelo de espacio
tiempo de cinco dimensiones que unificaba en principio gravitación y
electromagnetismo. La quinta dimensión se enrollaba como en un tubo, anticipando
una idea básica para la moderna teoría de cuerdas.
Ilustración 4: Albert Einstein
Los trabajos de Weinberg, Salam y Glashow lograron, parcialmente, un objetivo
similar, al unificar en una teoría las interacciones electromagnética y débil. Pero la vía
seguida era muy distinta. Einstein había seguido un camino basado en las teorías
clásicas (no cuánticas) de la relatividad general y la electrodinámica. La teoría del
campo electrodébil se situaba, por el contrario, dentro del terreno de las modernas
teorías cuánticas de campos con ruptura espontánea de la simetría.

13. 8
Los trabajos de Dirac, así como
los de Born, Heisenberg y Jordan
establecieron las bases para el
desarrollo de la electrodinámica
cuántica, es decir, una teoría relativista
que describe la interacción del campo
electromagnético cuantificado con el
campo electrón-positrón. La
electrodinámica cuántica toma en
cuenta la estructura corpuscular de la
luz, que se considera compuesta de
partículas de spin 1 (los fotones), los
cuales interactúan con las partículas
cargadas (electrones, protones,
mesones pi, etc.) a través de los
procesos de emisión y absorción. La
función Lagrangiana de la
electrodinámica cuántica consta de tres
partes: una parte que describe a los
electrones y positrones, otra parte que
describe al campo electromagnético en
el vacío, y una tercera que contiene la
interacción del campo electrónpositrón
con el campo electromagnético.
En la actualidad se considera
que las leyes que rigen el Universo,
desde su expansión hasta las
interacciones entre las llamadas
partículas elementales que componen
la materia ordinaria, deben formar
parte de una teoría unificada. La teoría
de cuerdas, por ejemplo, pretende
unificar las interacciones básicas a
escala ultramicroscópica, del orden de
la longitud de Planck 𝐼 = 1.6𝑥1035
𝑚
Así, los componentes básicos de
la materia son partículas de spin ½
(fermiones), que interactúan entre sí
mediante el intercambio de partículas
de spin 1 (bosones), mediadoras de las
interacciones.
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14. 9
CAPÍTULO 2
APLICACIONES COTIDIANAS
Hoy en día, gracias a los esfuerzos de los científicos es que hemos sido capaces
de unificar dos de los campos que ya hemos mencionado que son el uno magnético y
el eléctrico. Los dos juntos forman lo que se llama el electromagnetismo. A través de
experimentos se descubrió que cuando un imán se mueve cerca de un alambre, se ve
una corriente eléctrica. En 1873 el científico incorpora las leyes del
electromagnetismo. Así, la ciencia del electromagnetismo ha ido avanzando, nosotros
llegar a conocer el producto de este desarrollo como teléfonos, microondas, radios,
televisores y otras cosas que utilizamos en nuestra vida cotidiana.
Como hemos aprendido de esas ondas electromagnéticas invisibles e
imperceptibles somos capaces de escuchar la radio mientras hacen tareas, relajarse y
ver la televisión, hacer palomitas de maíz antes de ver una película y nos comunicamos
dondequiera que estemos y siempre que queramos. ¿Cómo funciona esta ola? En
primer lugar, tenemos que ver cómo las microondas trabajo, en estos casos podemos
decir que las ondas de radio tienen la capacidad de ser absorbida por las moléculas de
agua, grasas y azúcares.
Con el fin de ser absorbida, las olas se convierten directamente en el
movimiento de estas moléculas, esto se conoce como calor. Las moléculas de agua
tienen una carga positiva en un lado y negativo en el otro. Estas moléculas tratan de
alinearse con el campo eléctrico fluctuante generado por las olas. Este procedimiento
se realiza por millón de moléculas de agua de forma simultánea lo que se traduce en
las colisiones entre las moléculas, que se ponen en movimiento, dispersando así la
energía, conocido como el calor, que es simplemente la masa de moléculas
interesantes de un compuesto.
El electromagnetismo también juega un papel esencial en las comunicaciones.
Así que nos podemos deleitar con música radio, la onda de sonido se transforma en
una señal eléctrica mediante un micrófono (la conversión se hace lo contrario en un
altavoz). La estación produce una onda electromagnética. Esta ola debería alterar sus
características para incorporar señales para la transmisión derribado. Una vez que la

15. Teoría de campos unificados
10
señal de radio de onda modulada se propaga al receptor que detecta y demodula la
señal.
Ilustración 5: Telecomunicaciones
Hoy en día los teléfonos celulares son tan necesarios. ¿Cómo podemos texto o
hablar con alguien que está lejos de nosotros? Los teléfonos móviles tienen transmisor
y receptor enlaces a una radio que es capaz de recibir y enviar los mensajes dentro de
su área de cobertura.
El RADAR (Radio Detection and Ranging) es un muy buen ejemplo de
electromagnetismo. Se utiliza microondas para localizar la posición y la velocidad. Un
ejemplo típico es el radar meteorológico, que determina la posición y el tipo de
formaciones de nubes en un lugar determinado. Otros son utilizados por los centros de
control de tráfico aéreo, y los aviones de flujo de orden. También se utilizan en las
naves para evitar colisiones. Otros se utilizan en la ciudad, para determinar la
velocidad de los coches. Otros se utilizan a bordo de satélites que orbitan alrededor de
la tierra para un sinnúmero de variables y la información. Se compone de una antena
que emite pulsos electromagnéticos y también actúa como un receptor de la onda
reflejada por el objeto.

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11
Ilustración 6: Antenas y señales
Otra aplicación se encuentra cuando giramos el televisor y cambiar de canal sin
estar cerca de ella. O cuando vamos al supermercado y una máquina es capaz de leer
códigos de barras. Esto es posible gracias infrarrojos. Infrarrojos también se utiliza en
equipo de visión nocturna cuando la cantidad de luz visible es demasiado insuficiente
para ver objetos. La radiación se recibe y luego se refleja en una pantalla. Los objetos
más calientes se vuelven más brillantes.
Cómo ondas electromagnéticas y el espectro se utilizan en la medicina? Uno de
los refuerzos más importantes del espectro electromagnético es el uno para uso en la
salud. El ultrasonido se emplea en la detección de tumores cerebrales, exponer parte
del cuerpo a ondas sonoras de alta frecuencia para producir imágenes del interior del
cuerpo. También se utilizan en las mujeres embarazadas con el fin de comprobar el
bebé, verificar el tamaño del feto, su crecimiento, demostrar su bienestar, etcétera.
Un método bien conocido para identificar una fractura ósea es a través de Rayos-X.
¿Cómo funcionan? Nuestro tejido blando no puede absorber los rayos de alta energía y
pasar. Por lo tanto, los materiales de alta densidad, tales como huesos, absorben la
radiación. Rayos-X también se utilizan en la radioterapia externa para el tratamiento
del cáncer. Otro tipo de ondas electromagnéticas que se utiliza en la terapia de radio
es rayos gamma. Se pueden esterilizar los instrumentos que no pueden ser
esterilizados de otra manera. Y los riesgos de salud son significativamente más bajos
que los otros métodos.

17. Teoría de campos unificados
12
FUNCIONAMIENTO
Modelo Estándar
Según el Modelo Standard, los constituyentes básicos de la materia son
partículas de spin ½ (fermiones), los leptones y los quarks, que se comportan como
partículas sin estructura interna, es decir, como verdaderos puntos, sin dimensiones
perceptibles. Los leptones no participan en las interacciones fuertes. Se tienen seis
leptones:
Tabla 1: Leptones
Lepton Nombre Carga eléctrica
𝑽 𝒆 Neutrino electrónico 0
e Electrón -1
𝑽 𝝁 Neutrino muónico 0
𝝁 Muón -1
𝑽 𝝉 Neutrino 𝜏 0
𝝉 Lepton 𝜏 -1
Obviamente, a cada leptón, le corresponde un anti-leptón. Los quarks son
partículas de carga fraccionaria 2/3 y 1/3 de la carga del electrón, entre los cuaIes se
ejerce la interacción fuerte a través del campo gluónico. Hay dos propiedades
fundamentales de los quarks: el confinamiento y la libertad asintótica. El
confinamiento de los quarks consiste en que estas partículas no se encuentran libres;
los quarks siempre aparecen en parejas o en tríos, como constituyentes de otras
partículas. Los bariones están constituidos por tres quarks y los mesones por pares
quark-antiquark. La libertad asintótica se refiere a que los quarks, cuando están muy
próximos (o su energía de interacción es muy grande, a muy alta energía), se
comportan como si fuesen libres, o como si no interactuaran entre sí. Los quarks son
de diferentes tipos, a los que los físicos llaman humorísticamente sabores. Hasta el
presente se suponen seis sabores o tipos de quarks: "up", "down", "strange",
"charmed", "bottom", "top". La sustancia ordinaria requiere sólo de los quarks u, d, (a
los cuales se les asocia el número cuántico I (spin isotópico), relacionado con las

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13
transformaciones en el espacio isotópico, que veremos más adelante) y de los leptones
𝑒−
, 𝑉𝑒. Por ejemplo, un protón tiene la estructura:
quarks carga
𝑝 = {
𝑢 2/3
𝑢 2/3
𝑢 − 1/3
Ilustración 7: Leptones
A diferencia de la electrodinámica, las transformaciones de norma de los
campos de Yang-Mills son noabelianas (no conmutativas); un ente fundamental,
llamado tensor del campo, tendría propiedades no lineales, pues contendría un
término con el producto de dos de sus componentes. Esto, da lugar a nuevas
propiedades físicas para estos campos. Por ejemplo, cuando un fotón se propaga
libremente no puede descomponerse en dos fotones, pues este proceso no lineal esta
prohibido en la electrodinámica. Pero en los campos de Yang-Mills, a causa de sus
propiedades no lineales, es posible el proceso en que un bosón masivo Z se desintegra
en un par de bosones pesados 𝑊+
y 𝑊−
.
Entonces, mediante un modelo de Yang-Mills se puede unificar en una teoría a
la electrodinámica y las interacciones débiles como resultado de la simetría de
calibración SU(2) × U(l). Las interacciones entre los quarks, por otra parte, se deben a

19. Teoría de campos unificados
14
la invarianza ante el grupo SU(3). Pero para que la teoría así obtenida sea
renormalizable (es decir, las divergencias que aparecen en los cálculos específicos se
puedan eliminar) los campos de calibración deben ser no masivos, como el fotón. Hace
falta entonces un mecanismo mediante el cual se genere la masa de los bosones
intermediarios en las interacciones débiles y preserve la renormalizabilidad.
¿Qué ocurre si el campo de Yang-Mills no abeliano interactúa con un campo
escalar? En este caso, si hay ruptura espontánea de la simetría (es decir, si el estado
básico no es simétrico ante la transformación de calibración, aunque la Lagrangiana sí
lo es) aparecen componentes del campo escalar de masa nula que corresponden a
partículas no físicas, que se pueden eliminar de la teoría y sólo queda una componente
con masa. Esto significa que hay grados físicos de libertad que se pierden; pero, en su
lugar, el campo de calibración adquiere masa; es decir, la ruptura de simetría produce
partículas sin masa y es posible demostrar que estas son no físicas. Pero, por otra
parte, el campo de calibración adquiere masa. Por cada partícula escalar sin masa, a
causa de la ruptura de simetría, aparece ahora una partícula vectorial con masa. Este
es el llamado mecanismo de Higgs.
Ilustración 8: Bosón
En el modelo de unificación de las interacciones electromagnéticas y débiles,
debido a Weinberg, Salamy Glashow, se usa de modo especial el mecanismo de Higgs,
para que tres campos de norma, originalmente sin masa, adquieran masa a causa de
su interacción con un campo escalar. Este campo escalar no está aún identificado en la
naturaleza, sin embargo, las consecuencias físicas de la unificación han tenido ya

20. 2014
15
comprobación experimental amplia. Este campo escalar aparece inicialmente con
cuatro componentes independientes. A causa de la ruptura de simetría, sólo una de las
componentes del campo escalar es masiva y se Ie llama escalar de Higgs.
El campo de color aparece mediado, según el Modelo Standard, por partículas
sin masa, llamadas gluones (de glue, en inglés, pegamento) que serían los análogos de
los fotones, como verdaderos intermediarios de las interacciones fuertes. La existencia
de tres colores de quarks da una base para la teoría actual de las interacciones fuertes,
la cromodinámica cuántica (en inglés, QCD). El conjunto de transformaciones unitarias
que transforman los colores entre sí son el grupo de calibración de color SU(3), que
tiene ocho generadores que determinan el grupo. El campo gluónico se describe así
por un campo de Yang-Mills donde las componentes isotópicas corresponden a los
distintos colores a = 1,2,...,8. En la QCD la simetría es exacta: por ello los gluones serían
como el fotón, partículas de masa cero.
La cromodinámica cuántica presenta la propiedad de confinamiento, ya
mencionada. Un quark de color dado atrae cargas de color de la misma polaridad.
Como resultado de esto la carga de color dado disminuye a cortas distancias del quark,
y aumenta, cuando se incrementa la distancia. Esto está asociado a la dependencia de
la constante de acoplamiento con respecto al momentum 𝑔2
= 𝑔(−𝑝2
)2
, (se suele
usar esta notación donde −𝑝2
> 0 es el módulo del vector cuatri-momentum).
Tomando un valor 𝜇2
como referencia, tiene la forma:
Ecuación 2: Cromodinámica
𝑔(−𝑝2
) =
𝑔(𝜇2
)
1 + (11 −
2𝑛 𝑓
3
)𝑙𝑛
−𝑝2
𝜇2
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21. 16
CAPÍTULO 3
Tras el éxito de que la Teoría de Campos Unificados propuso y formuló, muchos
físicos han estado trabajando por separado en muchas teorías, pero con un objetivo
común, tratando de crear una "teoría general" en la que todas las cuatro fuerzas
fundamentales podrían estar unidos entre sí; los resultados de estas investigaciones
son nuevas teorías sin terminar y no probadas que tal vez podría ser la solución de la
unificación, las obras más reconocidas son: Gran Teoría Unificada y Teoría del Todo.
Hasta hoy en día que la unificación se considera uno de los problemas más
importantes y no resueltos de la física, pero a pesar de eso, otro Teoría del Campo
Unificado se formuló y se probó con éxito, siendo la segunda teoría del campo
unificado éxito.
3.1 Glashow-Weinberg-Salam Unified Field Theory
En 1967 Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abdus Salam propusieron un
nuevo modelo en el que trataron de "conectar" (2) fuerzas electromagnetismo y
nucleares débiles. Más tarde, en 1983 apareció Carlo Rubbia y Simon van der Meer,
que apoyó la nueva teoría, y que finalmente se demostró que el modelo matemático
fue correcta. La nueva teoría de la unificación y la posterior demostración fue un éxito
y Glashow, Weinberg y Salam ganó un premio Nobel de Física en 1979, mismo que
Rubbia y Van der Meer, que ganó el mismo premio en 1984.
La unificación de las interacciones electromagnéticas y las fuerzas nucleares
débiles dio como resultado las interacciones electrodébiles, que son básicamente la
combinación de dos de las cuatro fuerzas fundamentales. Las interacciones
electrodébil se incluyen en la Gran Teoría Unificada y también en la Teoría del Todo.
3.2 Gran Teoría Unificada
Después de la unificación exitosa del electromagnetismo y las interacciones
nucleares débiles, más físicos hasta que las nuevas teorías y modelos que tratan de
unificar las interacciones electrodébil y las fuerzas nucleares fuerte ahora han
propuesto, esta unificación sería con tres de las cuatro interacciones fundamentales y
es a menudo llamado como el Gran Unificada Teoría. Los modelos más conocidos son:

22. 2014
17
el modelo de Pati-Salam y el modelo Georgi-Glashow. Desafortunadamente hasta hoy
esos modelos no se han probado debido a los altos niveles de energía requeridos para
hacer la parte experimental, el problema principal es que no hay un acelerador de
partículas que puede soportar esos altos niveles de energía.
Ilustración 9: Interacciones
3.3 Teoría del Todo
Una teoría compleja, la teoría de que finalmente podría unificar las cuatro
fuerzas fundamentales: las interacciones eléctricas, fuerzas nucleares fuertes, fuerzas
nucleares débiles y fuerzas gravitacionales son la teoría del todo. Básicamente, la idea
es crear un modelo simple en la que todas las cuatro fuerzas fundamentales podrían
estar conectados. El nombre de "Teoría del Todo" o "Teoría Final" está dada por los
físicos porque se supone que la Teoría de Todo va a explicar y relacionar todos los
aspectos físicos del universo que en realidad también se ha traído hasta otros
contextos en las ciencias humanas.

23. Teoría de campos unificados
18
Ilustración 10: Ondulamiento del espacio
Como ya hemos visto, los quarks interactúan entre sí mediante el campo
gluónico, pero también interactúan entre sí y con los leptones mediante el campo
electrodébil. Entonces, parece natural buscar modelos que unifiquen las interacciones
fuertes, con el campo electrodébil. Un modelo que hace algunos años se tomó como
prometedor. Para que sea una teoría unificadora de fuerzas débiles y fuertes, debe
haber mecanismos que transformen hadrones en leptones. El modelo requiere para
ello de unos bosones3 X super-masivos. Estos serían intermediarios en la
descomposición del protón, por ejemplo, en un positrón y un mesón π. De acuerdo con
esto, el protón debe tener una vida media de unos 1033
años, y el neutrino debe tener
una pequeñísima masa, probablemente del orden de algunas decenas de eV. La idea
de la gran unificación se apoya también en el hecho de que las constantes de
acoplamiento varían con la energía (o el momentum) de las partículas en interacción.
Así, la constante de estructura fina, que caracteriza las interacciones
electromagnéticas, es constante para bajas energías; para energías mayores aumenta
su valor.
3 En física departículas,un bosón o boso, es uno de los dos tipos básicos departículaselementales de la
naturaleza (el otro tipo son los fermiones). La denominación «bosón» fue dada en honor al físico indio
Satyendra Nath Bose. Se caracterizan por:
Tener un espín entero (0,1,2,...).
No cumplen el principio deexclusión dePauli y siguen la estadística deBose-Einstein.Esto hace que
presenten un fenómeno llamado condensación deBose-Einstein (el desarrollo demáseres y láseres fue
posiblepuesto que los fotones de la luzson bosones).
La función de onda cuántica quedescribesistemas de bosones es simétrica respecto al intercambio de
partículas.

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Ilustración 11: Fluctuaciones del quantum
También vimos que el campo gluónico se caracteriza por una constante de
acoplamiento que disminuye al decrecer la distancia (incrementar el momentum y la
energía) entre las partículas (libertad asintótica), mientras que la interacción débil
disminuye, pero más lentamente. La teoría de la gran unificación prevé la unificación
de las interacciones electrodébiles con las fuertes a energías gigantescas. Es decir, a
estas energías, las constantes de acoplamiento (que varían con el momentum)
coinciden en valor. La interacción fuerte (descrita por el grupo SU(3)) decrece, y en
cuanto a las otras dos, descritas por los grupos SU(2) y U(l), la débil decrece más
lentamente y la electromagnética incrementa su valor hasta coincidir con las otras dos.
Esta energía prevista, de unificación de los campos fuertes y electrodébil, es a
10−4
veces menor que la energía de Planck, característica de los efectos cuánticos
gravitacionales. Para energías inferiores a 1015
GeV, se produce una ruptura de la
simetría, y quedan dos campos separados: el fuerte o de color 124 y el electrodébil. A
su vez, a energías del orden de 100 GeV el campo electrodébil se separa en dos
componentes. El campo electromagnético permanece hasta energías más bajas, pero
la fuerza débil se manifiesta sólo mediante procesos virtuales de creación de las
partículas W y Z. Es decir, entre 0 y 100 GeV, las fuerzas que prevalecen son la fuerte y
la electromagnética. El hecho de que las energías determinantes de los cambios de
simetría sean 100 y 1015
GeV, plantea el problema de que en este modelo el rango de
energías intermedias es muy grande: la relación entre ambos es de 1013
y se piensa
que esto es un defecto de la teoría y que puede haber muchos fenómenos notables en
el fango de 102
a 1015
GeV. La teoría de la gran unificación tiene una aplicación

25. Teoría de campos unificados
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inmediata a escala cosmológica. Se considera que al comenzar la expansión del
universo (y probablemente la inflación), la temperatura media era del orden de 1032
K.
A esa temperatura todas las interacciones fundamentales tenían igual jerarquía. Al
descender a menos de 1028
K se produjo la separación entre las interacciones fuertes
y el campo electrodébil. Entre esa temperatura y 1015
K se produjo la transición de
fase, en que se rompió la simetría electrodébil. A la temperatura media actual del
universo visible, las fuerzas de la naturaleza tienen las características que detallamos
anteriormente. De la igualdad inicial entre todas las interacciones fundamentales,
alcanzada a temperaturas gigantescas, hemos llegado, al enfriarse el universo, a una
escala jerárquica de las fuerzas de la naturaleza.
Ilustración 12: Doblamiento del espacio tiempo
3.4 Consecuencias de la Teoría del Todo
Ahora, ¿qué podría suceder si los científicos descubren cómo unir a todos los
campos?
Albert Einstein sugirió imaginar el espacio-tiempo4 o universo como una tela de
manera diferente a la forma en que usamos para imaginarlo, en la que se colocan los
planetas, la producción de cada uno de su curvatura en él. Dijo que si pudiéramos
combinar la fortaleza de las fuerzas electromagnéticas y las propiedades de ambos las
fuerzas nucleares débil y fuerte tener, con el rango de tiempo que las fuerzas
4 El espacio-tiempo es el modelo matemático que combina el espacio y el tiempo en un único continuo
como dos conceptos inseparablemente relacionados.En él se desarrollan todos los eventos físicos del
Universo, de acuerdo con la teoría de la relatividad y otras teorías físicas.Esta concepción del espacio y
el tiempo es uno de los avances más importantes del siglo XX en el campo de la física y dela filosofía.

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gravitatorias tienen; podría ser posible doblar el espacio-tiempo (o que "trapo" que
imaginó en la que se colocan los planetas y las galaxias). ¿Qué pasa si doblamos el
espacio-tiempo? Imagínese que el paño que Albert Einstein utilizó para modelar el
universo. Si logramos doblar el espacio-tiempo, podría ayudarnos a reducir la distancia
entre un planeta a otro, o incluso una galaxia distante a otro. Este atajo es lo que
conocemos como un agujero de gusano).
Ilustración 13: Campo gravitacional solar y terrestre
Albert Einstein y Stephen Hawking ahora también dijeron que doblar el espacio-
tiempo podría permitir a nosotros para viajar a través del tiempo, y pudimos ver los
eventos pasados. Pero, ¿cómo podemos hacer eso? Basándose en el mismo modelo
que Einstein menciona sobre la tela, explicaron que todo lo que sucede en la Tierra se
refleja al espacio y luego al espacio lejano. Todo viaja a través del espacio a la
velocidad de la luz metros por segundo); pero llegar a esa velocidad es aún más
"imposible" que la unificación de los campos (en este punto sabemos que no es una
declaración que debemos suponer que imposible), por lo que sugirió que podría el
mismo principio que mencionamos cuando nos explicó cómo viajar a otra galaxia más

27. Teoría de campos unificados
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rápido. El uso de este principio o hipótesis que modelaron, podríamos ser capaces de
tomar ventaja y en la "raza" contra las imágenes reflejadas en el espacio sobre un
acontecimiento que sucedió en la tierra, y que podríamos ser capaces de hacer algo
que podríamos suponer como un hecho ficticio: al ver el pasado.
Ilustración 14: Agujeros de gusanos
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