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12 de septiembre del 2025

Integrantes:

-Jose Luis Ojeda

-Josetomás Araya

-Nicolás Ruz

-Zhenyu DU

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¿De qué están hechas las partículas más básicas del universo y por qué existen diferentes fuerzas que gobiernan sus interacciones?

Hito: Durante siglos se pensó que los átomos eran los componentes indivisibles de la materia, idea que venía desde los griegos y que Dalton formalizó en el siglo XIX. Más tarde, se descubrió que los átomos estaban formados por electrones, protones y neutrones. El gran punto de inflexión llegó en 1968, cuando los experimentos de dispersión profunda en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) mostraron que protones y neutrones tenían una estructura interna compuesta por partículas aún más elementales, los quarks. Este hallazgo, junto con el descubrimiento de los neutrinos y otras partículas, dio origen al Modelo Estándar, el marco que organiza los bloques fundamentales de la materia y las cuatro fuerzas conocidas (gravedad, electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil). Sin embargo, como señala Brian Greene, este modelo es poderoso pero incompleto,ya que nos deja con preguntas abiertas sobre por qué existen tantas partículas, por qué tres familias y, sobre todo, por qué cuatro fuerzas diferentes en lugar de una sola.

Experimento: Primero, el experimento de Rutherford (1911), al bombardear láminas de oro con partículas alfa, reveló que el átomo tenía un núcleo compacto y positivo. Décadas más tarde, los experimentos de dispersión profunda en SLAC (1968) dispararon electrones de altísima energía contra protones y neutrones, confirmando que estos estaban compuestos por quarks. Estos resultados fueron decisivos porque demostraron que la materia es más compleja que simples “átomos indivisibles” y abrió un nuevo camino en la física de partículas.

Relación con los textos: En El universo elegante, Greene explica que este descubrimiento de quarks, leptones y neutrinos conformó un alfabeto cósmico con el que se escribe todo lo que vemos en la Tierra y en el cielo. Pero también subraya la frustración de los físicos, en este catálogo parece arbitrario, lleno de masas y fuerzas distintas sin una razón clara. Aquí entra la teoría de cuerdas, que propone una respuesta más profunda: todas las partículas y fuerzas no serían cosas diferentes, sino distintas formas de vibración de diminutas cuerdas de energía. Así, el electrón, el quark o el fotón serían notas musicales distintas de un mismo instrumento cósmico. Greene presenta esta idea como un posible camino hacia la unificación de todas las leyes de la naturaleza, el sueño de Einstein y el desafío central de la física moderna.

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¿Cambiarán las percepciones del tiempo y espacio cuando nos movemos a velocidades extremadamente altas?

Hito: Antiguamente, la física clásica de Newton y Maxwell no podía explicar la paradoja de observar un rayo de luz desde la perspectiva de un observador que se mueve a la misma velocidad, pero el hito científico clave llegó cuando Albert Einstein publicó un artículo en el que abordó y resolvió esta paradoja, cuestionando las nociones tradicionales de espacio y tiempo e introduciendo la relatividad de ambos conceptos, esta publicación considerada un punto de inflexión, no solo dio un giro completo al marco científico aceptado hasta entonces, sino que también plantó las bases para la teoría de la relatividad especial y cambió para siempre la comprensión de la física.

Experimento: En aceleradores de partículas como el "LHC", los científicos hacen chocar protones a velocidades cercanas a la luz.
Según la relatividad especial, cuando la partícula se acerca a esa velocidad, su masa inercial aumenta de forma drástica.
Esto implica que se necesita cada vez más energía para lograr incrementos pequeños de velocidad, lo que impide alcanzar la velocidad de la luz.
El fenómeno refleja directamente la equivalencia masa-energía expresada en la ecuación E=mc*2.
Este experimento fue llevado a cabo por los equipos internacionales de investigación del CERN, en especial las colaboraciones ATLAS y CMS.

Relación con los textos: La relatividad especial y la mecánica cuántica son las bases de la física moderna: una estudia lo muy rápido y la otra lo muy pequeño.
Juntas forman la Teoría Cuántica de campos, usada en aceleradores de partículas.
Einstein luego amplió la relatividad para incluir la gravedad, creando la relatividad general.
La ecuación E=mc2E=mc*2 explica la energía de las estrellas y la idea de que el universo se expande.

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¿Qué es realmente la gravedad y cómo se transmite entre los cuerpos a través del espacio?

Hito:

Desde la época newton en el siglo XVII, que la gravedad se entendía como una fuerza invisible de atracción instantánea entre masas, la cual, eta la responsable de mantener los planetas en órbita y a los cuerpos dentro de los limites de la atmosfera sin que estos floten libremente. Pese al éxito de esta teoría, en términos de aprobación, esta explico que era la gravedad en si misma ni el cómo podía actuar a distancia. Llegado el siglo xx, Einstein, descubrió que esta forma de comprender la gravedad no lograba conciliarse con su teoría de la relatividad especial, puesto que estas entraban en conflicto, dado que la relatividad especial niega la existencia de cualquier interacción más rápida que la luz. El punto de inflexión se produce en 1915, cuando Einstein formulo la relatividad general, en donde demostró que la gravedad es el resultado del alabeo del espacio-tiempo producido por la materia y la energía. Este cambio de paradigma, revoluciono la visión que se tenía del cosmos, permitiendo dar explicaciones a fenómenos como la desviación de la luz por el sol, expansión del universo y agujeros negros.

Experimento:

Durante el eclipse solar del 29 de mayo 1919, Sir Arthur Eddington, junto a equipos británicos y brasileños, fotografiaron el campo estelar alrededor del sol mientras la luna bloqueaba su disco. Lo anterior, era con la finalidad de comparar la posición aparente de estrellas visibles durante el eclipse con sus posiciones habituales en el cielo nocturno. Esto porque según la relatividad general de Einstein, predecía que la luz de esas estrellas se desviaría al pasar cerca del sol debido a la curvatura del espacio-tiempo provocando un desplazamiento medible en la posición aparente de estas mismas. Luego de realizar un análisis de las placas fotográficas, Sir Arthur Eddington anuncio que el desplazamiento observado coincidía, con la predicción de Einstein. De esta forma se confirmaba experimentalmente la curvatura de la luz por la gravedad.

Relación con los otros textos:
Este texto sobre la Teoría General de la Relatividad, está íntimamente relacionado con los demás textos, ya que amplía y corrige de manera crucial la Teoría Especial de la Relatividad propuesta por Einstein. Esta obra se ocupa de la discrepancia entre la teoría de Einstein y la gravitación universal de Newton, que afirmaba que la atracción gravitacional era instantánea, un concepto que choca con el límite de la velocidad de la luz. La Teoría General de la Relatividad sostiene que la gravedad resulta de la curvatura o alteración del espacio-tiempo, influida por la masa y la energía, donde estas variaciones se transmiten a la velocidad de la luz en lugar de forma instantánea. Esta teoría cambia la manera de entender el tiempo y el espacio de "escenarios pasivos" a "actores" activos en el universo, siendo vital para la comprensión del cosmos a gran escala, ya que predice fenómenos como los agujeros negros y la expansión del universo, confirmados experimentalmente por Edwin Hubble, así como el inicio del universo mediante el Big Bang, el cual es descrito como una "explosión de espacio comprimido". A pesar de su éxito en contextos amplios, la teoría general de la relatividad es incompatible con la mecánica cuántica. este último explora el universo en escalas mucho mas pequeñas. Es esta falta de unificación entre ambas, viene a representar el desafío central de la física moderna, dicho problema lo busca solucionar la teoría de supercuerdas, lo que ofrece una base unificada en donde ambas teorías, tanto la relatividad general y la cuántica, son requeridas mutuamente para que la teoría tenga coherencia.

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¿Cómo funciona realmente el universo a escalas microscópicas, y por qué la materia y la luz se comportan a la vez como ondas y como partículas?

Hito:

A principios del siglo XX, la física clásica no era capaz de explicar fenómenos como la radiación del cuerpo negro o el efecto fotoeléctrico. Y es a mediados de 1920, Max Planck propuso que la energía de no es continua, sino que se emite a través de paquetes discretos denominados cuantos. Y fue en 1905, cuando Einstein explico el efecto fotoeléctrico introduciendo el concepto de fotón, motivo por el cual recibió el nobel. En 1924, Louis de Broglie extendió esta dualidad a la materia, en donde sugería que las partículas como los electrones también poseen naturaleza ondulatoria, lo que fue confirmado posterior y experimentalmente por Davisson y Germer, en 1927. Finalmente, Schrodinger y Born, desarrollaron el formalismo matemático de la función de onda y la interpretación probabilística, lo que estableció la mecánica cuántica moderna. Esto revoluciono la física, puesto que demostró que el universo en escalas microscópicas obedece reglas distintas a las de la intuición cotidiana.

Experimento

Un destacado experimento por mencionar es el de la doble rendija, realizado por Thomas Young y refinado por Davisson y Germer, en donde, se demostró la dualidad cuántica.  Resumiendo, este experimento, cuando las partículas como electrones o fotones atraviesan dos rendijas, no generan un patrón clásico de impactos, sino un patrón de la interferencia característica de las ondas. Lo que sorprende de este experimento es que este efecto persiste incluso cuando se envían partículas de una en una. Es gracias a estos resultados que se puede demostrar que cada partícula exhibe simultáneamente propiedades de onda y de partícula, lo que confirma una de las ideas mas contraintuitivas y fundamentales de la mecánica cuántica.

Relación con otros textos

La Mecánica Cuántica se puede considerar como uno de los dos cimientos esenciales de la física contemporánea, poniendo el enfoque en el entendimiento del cosmos en escalas muy pequeñas, incluyendo moléculas, átomos y partículas subatómicas como electrones y quarks. Esta teoría, revolucionaria como innovadora, demostró que, en estos niveles, la materia y la energía exhiben comportamientos "increíblemente extraños y peculiares", introduciendo la idea de los cuantos o "unidades" discretas de energía, concepto clave propuesto por Planck. Einstein, apoyándose en la hipótesis de Planck, elucidó el fenómeno fotoeléctrico, afirmando que la luz está constituida por partículas (fotones), y De Broglie amplió la idea de dualidad onda-partícula a la materia, fundamentándose en la ecuación E=mc² de la Relatividad Especial. Un reto persistente para la física moderna es su incompatibilidad inherente con la Relatividad General, siendo este "la mayor dificultad de la física actual", ya que sus ecuaciones arrojan "resultados absurdos" en situaciones limites o extremas donde ambas son necesarias, como en el núcleo de los agujeros negros o en el instante inicial del Big Bang. Es precisamente la Teoría de Supercuerdas la que viene a intentar solucionar esta profunda incompatibilidad, postulando que todas las partículas son, en realidad, pequeños hilos vibratorios, y sosteniendo que, dentro de este nuevo contexto, la Relatividad General y la Mecánica Cuántica "se requieren mutuamente para que esta teoría tenga coherencia".

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Cómo pueden las estrellas de la secuencia principal generar energía a partir de la fusión termonuclear?

Hito: El descubrimiento del mecanismo de fusión termonuclear en el interior de las estrellas constituye un hito trascendental en la historia de la ciencia, ya que ofreció una explicación definitiva sobre el origen de la energía estelar. Supuso un auténtico cambio de paradigma en la astrofísica al revelar la fuente de luz y calor de estos astros, desconocida hasta entonces, y abrió el camino para comprender tanto su estructura como su evolución a lo largo del tiempo. Tal como indica el texto, este fenómeno “es el principal motor de las estrellas: la fuente de la luz y el calor que irradian al espacio”, y a la vez representa “el principal motor de la astronomía moderna”, pues permite explicar “la estructura interna y la evolución de las estrellas”.

Experimento/Proceso: No se trata de un experimento reproducido en un laboratorio, sino de un proceso físico que ocurre de manera natural en el corazón de las estrellas: la reacción nuclear de fusión. Bajo condiciones extremas de presión y temperaturas superiores a los 10 millones de grados Kelvin, los núcleos de hidrógeno logran superar la repulsión eléctrica y se fusionan formando helio. El texto lo describe con claridad: “A temperaturas de 10 millones de grados Kelvin (18 millones de grados Fahrenheit) o superiores, los protones tienen la energía cinética suficiente para vencer la repulsión electrostática y fusionarse... Se pierde una fracción minúscula de la masa que se convierte en energía, tal y como nos enseñó Einstein en su ecuación más famosa, E=mc²”.

Relación con los textos: La fusión termonuclear se convierte, así, en una piedra angular de la astrofísica moderna, ya que permite interpretar no solo la vida de las estrellas, sino también su clasificación en diagramas fundamentales como el de Hertzsprung-Russell. Este diagrama, que relaciona la luminosidad y el color de las estrellas, cobra pleno sentido cuando se reconoce que su brillo y evolución están determinados por el motor nuclear que opera en su interior.

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Se mueven las galaxias con respecto a la Vía Láctea, y si es así, en qué dirección?

Hito: El descubrimiento de la expansión del universo realizado por Edwin Hubble marcó un hito científico fundamental, al demostrar que las galaxias se alejan de la Vía Láctea y que, cuanto mayor es la distancia, mayor es la velocidad de alejamiento. Esta constatación transformó la comprensión de la dinámica cósmica y aportó pruebas decisivas para la teoría del Big Bang. En palabras del texto, este hallazgo “cambió nuestra comprensión de la dinámica del cosmos, proporcionando evidencia clave para la teoría del Big Bang”.

Experimento/Observación

Este avance no provino de un experimento controlado en un laboratorio, sino de la observación minuciosa de los espectros galácticos. Los astrónomos detectaron que las líneas de absorción en la mayoría de las galaxias estaban corridas hacia longitudes de onda más largas, fenómeno conocido como corrimiento al rojo. Dicho desplazamiento, interpretado como un efecto Doppler, indica que las galaxias se alejan de nosotros. El propio texto lo confirma al señalar que “la mayoría de las galaxias... se están alejando de nosotros, y a mayor velocidad cuanto más lejos se encuentran...”.

Relación con los textos

Para explicar la expansión del universo, el texto recurre a la metáfora del “pudín de pasas”. En esta analogía, las pasas representan las galaxias y la masa que las rodea corresponde al espacio en expansión. A medida que el pudín crece en el horno, cada pasa se separa de las demás, dando la impresión, desde cualquier punto de vista, de que todo se aleja de todo. Esto refleja la naturaleza del universo en expansión, sin un centro único. El texto lo resume así: “Podemos imaginar el universo como un enorme pudín de pasas que se está cocinando en el horno. Las pasas son las galaxias y la masa es el espacio que hay entre ellas. A medida que la masa sube, cada pasa se aleja de todas las demás...”.