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Textos de ampliación
1. Movimiento de precesión de los equinoccios
La precesión es el cambio en la dirección del eje alrededor del cual gira un objeto.
En el caso de la Tierra, este hecho es debido a que nuestro planeta está achatado por sus polos. Si
fuese una esfera perfecta, la atracción gravitatoria del Sol tendría siempre la misma fuerza, y la
dirección del eje terrestre no se modificaría. Pero su movimiento de rotación hace que la Tierra sea
más achatada en los polos y más ensanchada en el ecuador. Esto hace que la atracción de la
gravedad varíe, al variar el cuadrado de la distancia entre el centro del Sol y el de la Tierra.
1 ■ Unidad 1
1. Movimiento de precesión de los equinoccios
2. Teoría de la relatividad general
3. Espectroscopio
4. Fuerzas fundamentales
5. Teorías de la gran unificación
6. Las teorías más modernas
© Grupo Editorial Bruño, S. L.
Como el eje de la Tierra está inclinado, una mitad del ensanchamiento ecuatorial queda a un lado del
plano de la eclíptica y la otra mitad, al otro.
Durante los equinoccios, las dos mitades ensanchadas están a la misma distancia del Sol, y no se
produce la torsión en la fuerza gravitatoria que genera la precesión. El resto del tiempo, y sobre todo
durante los solsticios, una de las mitades ensanchadas queda más lejos del Sol que la otra.
2 ■ Unidad 1 © Grupo Editorial Bruño, S. L.
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Plan
o de
la e
clíp
tica
Mediante el movimiento de precesión el eje de la Tierra recorre una circunferencia completa cada
26 000 años, con centro en el polo de la eclíptica.
Como consecuencia de este movimiento, los polos celestes cambian continuamente.
3 ■ Unidad 1© Grupo Editorial Bruño, S. L.
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2. Teoría de la relatividad general
Esta teoría gravitatoria, publicada por el físico Albert Einstein en 1915, afirma que la fuerza de la
gravedad es una manifestación de la geometría local del espacio-tiempo.
Está basada en una teoría previa del mismo autor, la teoría de la relatividad especial, desarrollada
algunos años antes. La teoría de la relatividad especial establece la constancia de la velocidad de la
luz, y demuestra que:
• Un intervalo de tiempo o una distancia medidos en tierra son diferentes si se miden desde un
móvil.
• Masa y energía son conceptos equivalentes: la masa puede convertirse en energía, y al contrario.
De aquí surge la famosa ecuación E = m · c 2, donde c es la velocidad de la luz.
La teoría de la relatividad general generaliza esta teoría para explicar la atracción gravitatoria entre
masas. La teoría establece que la gravedad es consecuencia de la forma del espacio.
Si representamos el espacio como una hoja de papel:
Cuando no existe materia, el espacio es plano: todas las celdas tienen el mismo tamaño.
La presencia de una estrella, debido a su masa, deforma el espacio en las zonas que la rodean.
Cuanto más cerca de la estrella, más se modifica el patrón del espacio. Según esto, la gravedad que
ejerce el Sol sobre un planeta es el efecto del movimiento del planeta dentro de la zona del espacio
deformada por la masa del Sol.
La mayoría de las predicciones de esta teoría han sido comprobadas; algunas de las principales son
la desviación de la luz al pasar por el Sol, el corrimiento espectral de la luz hacia el rojo o la
existencia de agujeros negros.
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3. Espectroscopio
Un espectroscopio es un instrumento que dispersa la luz emitida por un foco, descomponiéndola en
las diferentes radiaciones monocromáticas de las que consta.
La dispersión se realiza o por refracción (espectroscopios de prisma) o por difracción (espectroscopios
de red).
El espectroscopio de prisma está formado por una rendija por la que entra la luz, un conjunto de
lentes, un prisma y una lente ocular. La luz pasa primero por una lente colimadora, que produce un
haz de luz estrecho y paralelo, y después por el prisma que separa este haz en los distintos colores
que lo componen. Con la lente ocular se enfoca la imagen de la rendija.
En el espectroscopio de red la luz se dispersa mediante una red de difracción, que consiste en una
superficie de metal o vidrio con muchas líneas paralelas muy finas marcadas. Tiene mayor poder de
dispersión que un prisma, por lo que permite una observación más detallada de los espectros.
5 ■ Unidad 1© Grupo Editorial Bruño, S. L.
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4. Fuerzas fundamentales
Son las cuatro interacciones fundamentales que existen en el Universo:
• Fuerza gravitatoria.
• Fuerza electromagnética.
• Fuerza nuclear fuerte.
• Fuerza nuclear débil.
■ La fuerza gravitatoria
Actúa a grandes distancias; a escala de partículas, sin embargo, no es muy consistente. En
comparación con el resto de interacciones, es la más débil. Tiene un solo sentido, pero alcance
infinito.
Según el modelo estándar, la partícula mediadora de esta fuerza es el gravitón.
■ La fuerza electromagnética
Actúa entre partículas con carga eléctrica, tanto en reposo (electrostática) como entre cargas que se
mueven una con respecto a otra (eléctrica y magnética). Es una interacción muy fuerte y puede
describir casi todos los fenómenos de nuestra vida cotidiana. Es la fuerza involucrada en las
transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Tiene dos sentidos (positivo y negativo)
y su alcance es infinito. Las partículas mediadoras, según el modelo estándar, son los fotones.
■ La fuerza nuclear fuerte
Es la interacción que permite la unión de los quarks para formar partículas hadrónicas y la que
mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, pero es más intensa que la fuerza
electromagnética.
Aunque es muy fuerte, más que la fuerza electromagnética, solo se aprecia en distancias muy
pequeñas; es solamente atractiva. La partícula mediadora de esta interacción es el gluón.
■ La fuerza nuclear débil
Es la interacción responsable de que quarks y leptones se desintegren en partículas más ligeras. Su
intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la
interacción nuclear fuerte. Es una fuerza atractiva. Según el modelo estándar, las partículas
mediadoras son los bosones W y Z.
6 ■ Unidad 1 © Grupo Editorial Bruño, S. L.
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5. Teorías de la gran unificación
Todo lo que sucede en el Universo se debe a la actuación de una o más de las cuatro fuerzas
fundamentales.
Los científicos intentan demostrar que todas estas fuerzas fundamentales son manifestaciones de un
modo único de interacción en circunstancias distintas. Hasta ahora la fuerza nuclear débil y la
electromagnética se han podido unificar en la fuerza electrodébil.
Las teorías del campo unificado consideran que dos o más de las cuatro fuerzas fundamentales
actúan como si fueran esencialmente idénticas.
La teoría de la gran unificación intenta integrar en un único marco teórico las fuerzas nuclear
fuerte y electrodébil. Esta teoría todavía está en proceso de ser comprobada.
La teoría del todo es otra teoría que pretende proporcionar una descripción unificada de las cuatro
fuerzas fundamentales. Actualmente, la mejor candidata a convertirse en una teoría del todo es la
teoría de supercuerdas.
7 ■ Unidad 1© Grupo Editorial Bruño, S. L.
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Fuerza electromagnética
Fuerza gravitatoria
Fuerza nuclear débil
Fuerza nuclear fuerte
Supe
rfuer
za
10–43 s 10–35 s 10–12 s
Gran fuerzaunificada
6. Las teorías más modernas
La teoría de la relatividad general describe la naturaleza de la fuerza de la gravedad en el
Universo en expansión, mientras que el modelo estándar es la teoría que describe a la perfección
las partículas elementales constituyentes de la estructura de la materia (quarks, leptones) y las
fuerzas fundamentales, excepto la gravedad, que actúan sobre ellas (nuclear fuerte, nuclear débil y
electromagnetismo). Por otra parte, la teoría de la gran unificación (TGU) solo es capaz de
unificar estas tres últimas fuerzas.
Por esta razón, durante muchos años, los físicos han soñado con elaborar una teoría del todo que
permitiera elaborar un conjunto de ecuaciones maestras que contendrían toda la ciencia capaz de
unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, describir las interacciones entre todas
las partículas elementales y explicar el origen, la evolución y el destino del Universo. Este deseo
aún no se ha visto cumplido, porque la fuerza de la gravedad se resiste a ser expresada bajo la
forma de la mecánica cuántica.
Solo algunas teorías de gran complejidad matemática, como la teoría de cuerdas o la teoría M,tratan de interpretar los sucesos ocurridos en los instantes posteriores (y previos) al gran estallido.
Se trata de teorías que tratan de describir de manera conjunta, mediante ecuaciones matemáticas,
la gravedad y el Universo a gran escala y sus componentes más pequeños, como las partículas
elementales.
■ Teoría de cuerdas
Una forma de abordar el problema de la gravitación cuántica consiste en dejar de considerar a las
partículas como entidades puntuales y tratarlas como objetos unidimensionales, como si fueran
cuerdas cerradas o abiertas que existirían en un espacio multidimensional (tres dimensiones
espaciales, una temporal y las restantes estarían enrolladas o compactadas). Las partículas
subatómicas no son puntos, sino cuerdas que vibran y, dependiendo de esas vibraciones, adquieren
una u otra forma. Para que el Universo sea tal como lo conocemos, durante el Big Bang las tres
dimensiones espaciales (ancho, largo y alto) y una temporal (el tiempo) se expandieron, mientras que
las restantes dimensiones se compactaron.
■ Teoría M
Es una teoría que pretende unificar las cinco teorías de cuerdas (tipo I, tipo IIA, tipo IIB, tipo SO y tipo
HE). Contiene objetos, llamados p-branas, donde p puede adoptar valores mayores que 1 y así dar
lugar a objetos de varias dimensiones: cuerdas (p = 1, es decir, 1-brana), membranas (p = 2, es
decir, 2-brana), etc., y así hasta construir objetos de mayores dimensiones.
Según esta teoría, podríamos existir en una sección tridimensional de un mundo de más dimensiones,
un multiverso, pero viviríamos atrapados en nuestro propio Universo, que sería una de esas
membranas, desde el que no tendríamos acceso a otras membranas que representarían a los demás
universos.
■ Modelo estándar
El modelo estándar ha representado el intento más satisfactorio de desarrollar una teoría unificadora
que permita describir la estructura íntima de la materia y todas las fuerzas fundamentales que actúan
sobre ella (excepto la gravedad). La elegancia de este modelo reside en su capacidad de describir
interacciones complejas mediante un número muy reducido de partículas elementales y fuerzasfundamentales. Las ideas esenciales de este modelo son las siguientes:
8 ■ Unidad 1 © Grupo Editorial Bruño, S. L.
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• Toda la materia se puede describir mediante las partículas elementales materiales: seis tipos
de quarks (arriba, abajo, encanto, extraño, fondo y cima) y seis tipos de leptones (electrón,
muón, partícula tau, neutrino-electrón, neutrino-muón y neutrino-tau); además, existe una partícu-
la de antimateria para cada una de las partículas materiales. De todas las partículas, el bosón deHiggs aún no se ha detectado experimentalmente.
• Las cuatro fuerzas fundamentales (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gra-vitatoria) que actúan sobre la materia son el resultado del intercambio de partículas portado-ras de fuerza, que actúan como mensajeras de la interacción: bosones W+W-Z0, fotón, gluóny gravitón. Este último no se ha conseguido detectar experimentalmente.
9 ■ Unidad 1© Grupo Editorial Bruño, S. L.
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FuerzaNuclear fuerte
Nuclear débil Electromagnética GravitatoriaFundamental Residual
Actúa sobre las par-tículas materiales.
Quarks Hadrones: Protones y
neutrones
Leptones y quarks Partículas con carga
eléctrica
Todas las partículas
Tipo de partículaportadora de fuerza.
Gluón Mesón Bosones W+W-Z0 Fotón Gravitón
Efectos:Lo que comúnmente
llamamos fuerza son
los efectos causados
por el intercambio de
partículas portadoras
de fuerza (la pelota)
entre las partículas
materiales (los
jugadores).
Los quarks siempre
van en grupo.
Cuando dos o más
quarks se aproximan
rápidamente
intercambian
gluones y quedan
«pegados»,
formando partículas
compuestas
llamadas hadrones,
que pueden ser:
– Bariones:formadas por la
asociación de tres
quarks, como el
protón (u, u, d) y el
neutrón (u, d, d).
– Mesones:formadas por la
asociación de dos
quarks, como el pión
(u, d).
Une los protones y
los neutrones en los
núcleos atómicos,por mediación de la
fuerza nuclear fuerte
residual que es
transportada por un
grupo de mesones
llamados piones.
Es responsable de
los fenómenos
radiactivos y de
todos los procesos
en que intervienen
los neutrinos.
También es
responsable de que
las partículas de
mayor masa se
transformen
(decaigan) en quarks
y leptones más
ligeros.
Atrae a las
partículas de
distinta carga y
repele a las de igual
carga.
Es responsable de
que los electrones
se mantengan
unidos a los núcleos
de los átomos, los
átomos se unan
para formar
moléculas, y las
moléculas se unan
entre sí para formar
estructuras vivas o
inanimadas.
La gravedad atrae y
actúa sobre todo
tipo de materia,
desde las partículas
elementales hasta
las galaxias.
Es la única fuerza
que no está incluida
en el modelo
estándar, porque sus
efectos sobre las
partículas son
diminutos, ya que se
trata de una fuerza
muy débil, a no ser
que actúe sobre
grandes masas.
