¿Por qué decimos que existen cuatro fuerzas fundamentales en lugar de algún otro número?

Question

En mi libro de texto de física (y en la ciencia popular de la cultura) se afirma que existen cuatro fuerzas fundamentales: el electromagnetismo, la fuerte, la débil y la gravedad.

Pero la Wikipedia me dice que hay una descripción unificada del electromagnetismo y la fuerza débil (interacción electrodébil), y que este modelo es generalmente aceptado de una manera que escapa por ejemplo, Grand Unified Teorías con el fin de unificar los tres no las fuerzas de gravedad.

Así que ¿por qué no podemos decir que hay tres fuerzas fundamentales en su lugar?

Answer 1

Este es uno de mis temas favoritos, así que voy a añadir algunas aclaraciones acerca de lo que realmente queremos decir cuando nos forma en que la EM y la debilidad de las fuerzas "unificada".

En el Modelo Estándar de la física de partículas, que es parte de la fundación para nuestra comprensión actual de la naturaleza, hay tres diferentes campos de fuerza (los físicos llaman ellos medidor de campos).

• Uno de ellos corresponde a la fuerza que une a los quarks dentro de los protones y los neutrones. En la literatura técnica, esto es que a veces denotado $SU(3)$.
• Los otros dos medidor de campos son los pertinentes a su pregunta. En la literatura técnica, estos dos medidor de campos se describen por los símbolos crípticos $SU(2)_L$ e $U(1)_Y$, respectivamente, y no voy a tratar de inventar mejores nombres para ellos aquí. El punto importante es que los familiares de EM de la fuerza es una especial mezcla de $SU(2)_L$ e $U(1)_Y$, y el resto (una mezcla diferente) es lo que llamamos la fuerza débil.

En el Modelo Estándar, cada uno de estos tres campos de fuerza — es decir, $SU(3)$, $SU(2)_L$, e $U(1)_Y$, parejas a las de la materia con una fuerza diferente que los demás. Es por eso que se considera que son tres los campos, no realmente unificada en el sentido más estricto. Sin embargo, como se indica en Aaron Stevens' más concisa respuesta, en una lo suficientemente bajas temperaturas (lo que podríamos llamar "normal" de las temperaturas de hoy) el famoso campo de Higgs hace que el $SU(2)_L$ e $U(1)_Y$ medidor de campos para que se mezclen unos con otros, dando lugar a dos diferentes mezclas que experimentamos como las de largo alcance de la fuerza electromagnética y la de muy corto alcance de la fuerza débil.

El punto de este largo monólogo es aclarar lo que "unificada" realmente significa en este contexto. La EM y la debilidad de las fuerzas son de dos diferentes mezclas de los más fundamentales $SU(2)_L$ e $U(1)_Y$ campos. Así que todavía hay cuatro fundamentales de los campos de fuerza en nuestra comprensión actual de la física moderna: la fuerza fuerte $SU(3)$, el uno llamado $SU(2)_L$, el uno llamado $U(1)_Y$, y la gravedad. (El Modelo Estándar de la física de partículas no incluye la gravedad.)

Por otro lado, tenemos indirectos teórico razones para sospechar que $SU(3)$, $SU(2)_L$, e $U(1)_Y$ son realmente unificada en el sentido estricto de ser diferentes partes de un único campo con una sola fuerza de acoplamiento a la materia. Todavía no sabemos exactamente cómo implementar esta forma rigurosa de la unificación teórica. Incluso si la idea es correcta, esta mayor simetría sólo sería evidente a temperaturas aún más altas que las que necesitamos para que "no se mezclan" $SU(2)_L$ e $U(1)_Y$.

Answer 2

Yo diría que es debido a la historia, como cada una de las cuatro fuerzas fueron descubiertos como fuerzas separadas.

También me dicen que es debido a la forma en que experimentamos hoy en día. Actualmente son cuatro fuerzas separadas. Ellos se unifican en muy gran energía, las temperaturas, las cuales estaban presentes muy pronto después del big bang. Pero una vez que el universo se enfriaba las interacciones electrodébiles dividido en dos fuerzas.

Answer 3

Mouseover: "De estas cuatro fuerzas, hay uno de ellos que realmente no entendemos." "Es la fuerza débil o el fuerte--" "gravedad".

El comic de xkcd anteriormente está disponible bajo una licencia de creative commons.

Tenga en cuenta que diciendo que hay cuatro fuerzas fundamentales es, básicamente, una herramienta heurística para ayudar a enseñar a una complicada realidad. Una de las muchas formas razonables de la definición de una fuerza operativa para fines de contar cuántas fuerzas fundamentales que hay en otras descripciones a nivel de la ciencia es definir una fuerza como la que cuenta como separado si está asociado con un determinado tipo de bosón de gauge que se acopla a un determinado tipo de carga.

A Través De Wikipedia

Por lo tanto, tenemos: (1) la fuerza electromagnética asociada con los fotones que par a carga eléctrica, (2) la fuerza débil asociados con la masiva bosones W y Z, que a la par isospin débil, y (3) la fuerza fuerte asociados con los gluones que un par de color cargo. Y, muchas teorías de la gravedad cuántica asociado (4) la gravedad con un hipotético bosón de gauge conocido como un gravitón que se acopla a un cargo equivalente a una partícula del total de masa-energía.

Aunque se puede hablar de una interacción electrodébil tener un origen común en la teoría, fenomenológicamente, es fácil distinguir entre el fuerte, de largo alcance, el fotón mediada por la componente de la interacción, y los débiles, de corto alcance W y Z bosón de mediado de los componentes de esa interacción.

Esta definición, por ejemplo, naturalmente, se trata de la fuerza eléctrica y magnetismo como unificado (porque ambos implican interacciones de partículas cargadas eléctricamente a través de los fotones), mientras que el tratamiento de fuerzas comúnmente considerado como independiente separada.

Esta definición también trabaja para la fuerza débil, porque mientras se tiene tres tipos de bosones de gauge (el W+, W - y Z), todos los tres de la pareja a la misma "cargo" (es decir, isospin débil) con la misma constante de acoplamiento, y también son similares en que son todos masiva y de corta duración.

De hecho, el punto más difícil para la mayoría de la gente es realmente para explicar por qué los bosones W son bosones gauge cuyas interacciones cuentan como fuerzas, a pesar del hecho de que estas interacciones son muy distintas a las del paradigma de la masa del fotón/gluon/gravitón mediada por las interacciones, que tienen un aspecto mucho más parecido a lo que intuitivamente consideramos como fuerzas (con la peculiaridad de que los gluones y los gravitones, a diferencia de los fotones, que interactúan entre sí, así como cargan fermiones). Pero, su pregunta indica que no están luchando con esa pregunta y matemáticamente, la interacción débil se asemeja mucho a la de otro Modelo Estándar de las fuerzas.

Otras preguntas y respuestas se han abordado por qué el bosón de Higgs no es un bosón de gauge, y el campo de Higgs no se cuentan como una fuerza, aunque este es un elemento fundamental del bosón y un campo fundamental del Modelo Estándar (que las parejas en proporción a una partícula fundamental del resto de la masa).

Podría Algún Día Ser Más O Menos De Cuatro Fuerzas Fundamentales De La

Podríamos descubrir adicionales fuerzas fundamentales algún día, pero hasta el momento no hemos encontrado evidencia convincente de que existen. Muchos más allá del Modelo Estándar teorías proponer la inclusión de otras fuerzas fundamentales (por ejemplo, una nueva fuerza que sólo las parejas a la materia oscura mediada por una masiva "oscuro fotones").

También puede tomar un nuevo campo y/o bosón, incluso si no es una fuerza, para explicar masas de neutrinos, que no son un buen ajuste para el Modelo Estándar mecanismo de Higgs y no está bien entendido. Neutrino masas son la única significativa extensión del Modelo Estándar que se ha visto desde que fue formulado.

A continuación, de nuevo, también podríamos, por ejemplo, descubrir que la gravedad es emergente de una o más de las del Modelo Estándar de las fuerzas, o que todo el Modelo Estándar de las fuerzas tienen un origen común en algunos en algunos más profundo de la teoría (tales como el INTESTINO o un DEDO del pie), reduciendo el número de verdaderamente fuerzas fundamentales.

Una Nota Histórica

La historia juega un papel importante también.

La gravedad fue formulada de la fuerza, con una forma que las ecuaciones de Maxwell sería imitar tres siglos después, en 1687 Newton, y al hacerlo unificado de la fuerza que rige el movimiento de los planetas y de la fuerza que hace que los objetos caen a la tierra. Su general relativista de extensión fue propuesta por Einstein por 1915, hace más de un siglo. Irónicamente, a pesar de ser la más antigua de las formulado matemáticamente fuerzas fundamentales, entendemos menos hoy de lo que hacemos las tres fuerzas fundamentales del Modelo Estándar. Es la única fuerza de la que no tenemos viable la formulación cuántica, aunque hemos llegado tentadora cerca de hacerlo hasta el punto de que puede describir a un hipotético gravitón propiedades casi por completo, pero no se puede calcular con esta teoría.

La investigación científica de la electricidad y el magnetismo fue así en el siglo 17, la unificación de la electricidad y el magnetismo se empieza a emerger en el siglo 18 y refinado en las décadas de seguido, Maxwell unificado de la óptica y el electromagnetismo en la década de 1860, Maxwell y Heaviside se habían formulado las ecuaciones de Maxwell de la clásica del electromagnetismo por finales de la década de 1800, Einstein propuso la existencia de los fotones en 1905 y que fue confirmado por la década de 1920, y la electrodinámica cuántica (quantum de la versión de electromagnetismo) se ha desarrollado a partir de la década de 1920 y se completa antes de que el Premio Nobel fue otorgado por el descubrimiento en 1965.

La desintegración Beta (que es causada por la interacción débil) no fue descubierto hasta 1896 y ni siquiera era concebida como una fuerza de hasta Fermi acercó con (inexacta) descripción de la misma como una fuerza de contacto en 1933. Una descripción precisa de la fuerza débil como parte de una amplia interacción electrodébil no fue ideado hasta 1968, y la W y Z bosón no estaban directamente confirmó que existen hasta 1983. Dado que este distintivo de los fenómenos que se había unificado en teoría con el electromagnetismo hace tan sólo 50 años, es sorprendente tratadas como algo diferente de electromagnetismo aunque está íntimamente relacionado con él.

La fuerza fuerte, mientras tanto, no se entiende en ningún sentido de la moda hasta la década de 1970. Los gluones no la hipótesis de hasta 1962, color cargo realmente no estaba formulado como un concepto hasta 1973, y el quark-gluon modelo no estaba confirmado experimentalmente hasta experimentos para confirmar que se llevaron a cabo en 1978 (el mismo año en que el término "quark" fue acuñado) y 1979. El último de los quarks a ser descubierto (el quark top) no fue confirmado experimentalmente que existen hasta 1995.

Los conceptos del bosón de Higgs y el campo de Higgs se propone a partir de 1960 a 1972, y confirmado experimentalmente en 2012.

Answer 4

Primero de todo vamos a hablar acerca de la unificación de dos fuerzas: la fuerza electromagnética y la fuerza débil.

Antes de la unificación, que no sabíamos que eran una sola cosa.Ya hemos llegado a la existencia manera demasiado después de bigbang se observaron dos fuerzas : la fuerza electromagnética y la fuerza débil, en lugar de la fuerza electrodébil, que son como las células hijas de la célula madre:interacciones electrodébiles

Como @Aaron stevens ha mencionado, es debido a la historia que hemos cuatro fuerzas.Si a la gente a encontrar lo que ellos llaman la Teoría del todo,entonces se podría decir que todo es una cosa,pero usted todavía podría ser estudiar, que hay cuatro fuerzas fundamentales.

Answer 5

Las respuestas de la cubierta de la razón histórica fuerzas fundamentales. Me gustaría aclarar lo siguiente.

En el marco del campo de los modelos teóricos de la física de partículas de datos, en el que la reivindicación de las cuatro fuerzas fundamentales es realizado, en su mayoría todos los cálculos de los modelos teóricos ( que son descritos por las otras respuestas) para comparar con los datos, se realiza mediante el uso de diagramas de Feynman..

En esta representación icónica de las integrales que se han calculado, cada vértice intercambios de partículas virtuales , la transmisión de la fuerza, dp/dt, y cualquier partícula virtual transmite una fuerza .

Por ejemplo electrón positrón aniquilación sucede con el virtual electrónica de la transferencia de la fuerza. La fundamental portador de la fuerza a pesar de que, separado de todas las otras posibilidades, es la primera, que las bolsas de un fotón. Los fotones, los gluones y los W y Z son los bosones de gauge y definir el orden de los intercambios de la caracterización de las interacciones en el SU(3)xSU(2)xU(1) modelo estándar de la física de partículas..

Estos bosones de gauge son inherentes a la formulación matemática de la teoría y de la caracterizan, en correspondencia con las fuerzas fundamentales. Es por eso que el descubrimiento de la Z y W son importantes, también se confirmó que este modelo matemático tanto como el descubrimiento de la partícula de Higgs, más adelante. No puede venir otra serie de teorías en el futuro que va a tener su propio medidor de bosones y por lo tanto aumentar las fuerzas fundamentales, pero es un juego de la espera de los datos. Es por eso que el gravitón se postula, es el bosón de gauge de la gravedad, una vez que la gravedad es definitivamente ( y no de eficacia), cuantificada.