Fermilab scientist Don Lincoln describes the Standard Model of particle physics, covering both the particles that make up the subatomic realm and the forces that govern them.
Fermilab is America's particle physics and accelerator laboratory
El Modelo Estándar (Una de las mejores explicaciones, en español)
El Modelo Estándar de la Física de Partículas explica todo el funcionamiento del universo (sin contar la gravedad) desde lo más pequeño, a lo más grande y con absoluta precisión.
Para esto, es importante conocer aquellos pequeños objetos que forman todo lo que conocemos: Los quarks, los leptones y los bosones, sus propiedades y su función.
El modelo estándar también predijo la existencia de un nuevo Bosón, llamado el Bosón de Higgs.
Cosa
que hasta el momento, parece ser una completa realidad (gracias a los
descubrimientos del CERN en la materia). Con esto nos damos cuenta de lo
preciso del modelo estándar, a escalas universales.
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Como científico, amo las preguntas. Mientras más, mejor. Cuando juego a las preguntas con mis hijos, ganan puntos extra si la
pregunta es engañosa, y les doy un bono especial si las preguntas son sobre
algo completamente familiar pero con consecuencias muy profundas. De hecho casi siempre pierdo el juego ya que los niños jóvenes tienen
las mejores preguntas para formular. Déjame darte una idea de las preguntas a las que me refiero ¿Por qué puedo mover mi mano en el aire, pero si trato de mover mi
mano contra la otra, aplaudo? ¿Cómo es posible que el vapor, el agua y el hielo sean, de hecho, la
misma cosa? Parecerían tener propiedades totalmente diferentes. ¿Qué es el fuego y qué le hace brillar? Esencialmente todas estas preguntas pueden ser reducidas a ... ¿Cuáles son los últimos bloques de la realidad y cuáles son las
reglas que lo gobiernan? Preguntas como estas han dejado perpleja a la humanidad desde que tenemos registro. Y, por supuesto, con las preguntas vinieron las respuestas con varios grados de sensibilidad desde los cuatro elementos: Fuego, agua, aire, y tierra hasta ideas más modernas de Química. Sin embargo, en los últimos 50 años más o menos hemos hecho algunos progresos muy rápidos
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As a scientist I
love questions. The more the better. When I play a
question game with my kids, extra points are awarded if the questions are
tricky, and a special bonus is given if the questions are about something
entirely familiar but with very deep consequences. In fact I almost
always lose the competition as I find the young children have some of the very
best questions. Let me give you some
idea of the kinds of questions I mean. Why is it that I can
wave my hand through the air but if I try to put one hand through the other I
clap? How can it possibly
be that steam, water and ice are actually the same thing? They seem to have
totally different properties. Just what is fire and what makes it glow? Essentially the questions can all be boiled down to ...
What are the
ultimate building blocks of reality and what are the rules that govern them? Questions like these have perplexed humanity for as long as we've kept records.
And of course with
questions have come answers with varying degrees of sensibility from: the four elements of fire, water, air and earth, to the more modern ideas of chemistry.
However in the last 50 years or so we have made some very rapid progress.
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En efecto, nuestro entendimiento moderno de los fundamentos del
universo puede explicar los fenómenos desde el comportamiento de los átomos
hasta cómo brillan las estrellas. Tenemos un nombre para este entendimiento. Es llamado "El modelo
estándar de la Física de Partículas" o sólo "El Modelo
Estándar", que es más corto. Para entender lo que entra en el Modelo Estándar tenemos que recordar
algunas ideas que debimos aprender en la escuela. Si alguna vez estuviste en una clase de química debiste escuchar que toda la materia en el universo está hecha de alrededor de 100 elementos. Sin embargo, si nunca estudiaste química probablemente escuchaste que
toda la materia está hecha de átomos el cual muestra un pequeño núcleo con
electrones girando alrededor. Átomos como éste, son el ejemplo más pequeño de los variados
elementos y podrías pensar en ellos razonablemente como los últimos bloques
que construyen el universo. Sin embargo, hace más o menos un siglo que los científicos se dieron
cuenta que esta no era la última palabra. Descubrimos que el núcleo del átomo está hecho de cantidades
variantes de dos partículas llamadas Protones y Neutrones. Ésta fue una simplificación sustancial en nuestro entendimiento del
universo. En vez de 100 elementos químicos, nos dimos cuenta que simplemente
con tres partículas subatómicas llamadas protones, neutrones y electrones. Podríamos, en principio al menos, construir todo el Cosmos. Y esto es un logro muy impresionante. |
Indeed our modern
understanding of the underpinnings of the universe can explain phenomena from
the behaviour of atoms to how stars burn. We have a name for this understanding. It is called “The Standard Model of Particle Physics” or just the “Standard Model” for short. To understand what
goes into the Standard Model we need to recall some ideas we might have
learned from school. If you've ever taken
a chemistry class you've heard that all of the matter of the universe is made
of about 100 elements. However even if
you've never studied chemistry you've probably heard that all matter is made
of atoms. You've even probably
seen this little logo for an atom which shows a tiny nucleus with electrons
swirling around it. Atoms like these are
the smallest examples of the various elements and you could reasonably think
of them as the universe's ultimate building blocks. However nearly a
century ago physicists realized that this wasn't the final word. We discovered that
the nucleus of the atom was made of varying numbers of two particles called Protons
and Neutrons. This was a
substantial simplification in our understanding of the universe. Rather than a
hundred chemical elements we now realized it with a mere three subatomic particles
called protons, neutrons and electrons. We could in
principle at least construct an entire Cosmos. And that is a pretty
impressive achievement.
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Sin embargo entre las décadas de los 40 y 60 los físicos descubrieron
muchas más partículas subatómicas experimentando con aceleradores de
partículas. En vez de un modelo simple de tres partículas literalmente cientos de
partículas subatómicas fueron descubiertas. Claramente, otra idea de simplificación se estaba formando. A mediados de los sesenta fue cuando nuestro entendimiento moderno
del reino subatómico entró en desarrollo. Los físicos se dieron cuenta de que los ya familiares Protones y
Neutrones estaban hechos de objetos aún más pequeños, estos pequeños objetos
son llamados Quarks. Ahora conocemos seis tipos de Quarks, con nombres bastante absurdos,
como Up y Down (Arriba y Abajo), Charm y Strange (Encanto y Extraño) y por
últimos Top y Botton (Superior e Inferior). Los quark Up y Down están dentro de protones y neutrones, mientras
que el resto son necesarios para explicar el vasto número de descubrimientos
hechos por los aceleradores de partículas. En adición a los quarks, hay otra clase de partículas subatómicas,
llamados Leptones. El leptón más familiar es el electrón y resulta que hay seis tipos de
leptones también. Tres de esos leptones tienen carga eléctrica, son el Electrón, el Muón
y el Tau. Los otros tres son Neutrinos que son eléctricamente neutrales. Estos quarks y leptones incluyen cada partícula que conocemos. Los quark Up y Down, y el Electrón son los bloques que construyen el
Cosmos y las otras partículas han sido observadas en nuestros aceleradores. Sin embargo, si los bloques que constituyen la naturaleza son
importantes nos olvidamos de un punto importante, este punto importante es la
Fuerza. Sin Fuerzas, estas partículas estarían vagando por el Cosmos sin
interactuar entre ellas, y
eso sería malo. |
However during the
1940s through the 1960s physicists discovered many more subatomic particles
and experiments using particle accelerators. Rather than the
simple model of three particles literally hundreds of subatomic particles
were discovered. Clearly another
simplifying insight was in order. The mid-1960s was
when our modern understanding of the subatomic realm began to develop. Physicists realized that
the familiar Proton and Neutron were made of smaller objects still these smaller
object are called Quarks. We now know of six
types of quarks they have kind of silly names, which are, Up – Down, Charm - Strange
and Top and Bottom. Up and Down quarks
are found inside the proton and neutron while the others are necessary to
explain the vast number of discoveries made in particle accelerators. In addition to the
quarks there's another class of subatomic particles called Leptons. The most familiar
lepton is the electron although it turns out that there are six leptons. As well three of
these leptons have electrical charge these are the Electron the Muon and the
Tau. The other three are neutrinos
which are electrically neutral. These quarks and
leptons include every particle that we know. Of the Up and Down quarks
and the Electron are the building blocks of the cosmos and the other nine particles
have all been observed in our accelerators However while the
building blocks of nature are important we forgotten an important point, this
important point is Force. Without forces these
particles would wander around the cosmos not interacting with each other, and
that would be bad. |
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Si algo no uniera a los quarks y leptones no habría átomos y,
consecuentemente, no existiríamos. Los físicos conocen cuatro fuerzas diferentes. La fuerza más familiar es la Gravedad, nos mantiene sujetos a la Tierra y gobierna la trayectoria de las estrellas y planetas en el cielo. Pero resulta que la Gravedad es en realidad una fuerza muy débil y no
logramos entender cómo funciona en el mundo cuántico. Sin embargo, las otras tres fuerzas son muy bien comprendidas. La otra fuerza familiar es el Electromagnetismo. El Electromagnetismo es responsable de la electricidad y el magnetismo, por supuesto. Pero es la razón de que la luz exista y, en el contexto de construir
materia, su atributo más importante es que es la fuerza que enlaza el
electrón con el núcleo atómico y crea los átomos. La fuerza electromagnética es la responsable de toda la Química. Las otras dos fuerzas son las menos familiares. La primera es la Fuerza Nuclear Fuerte. Y esta es la fuerza que junta
y enlaza a los quarks dentro de Protones y Neutrones y otras partículas que
los físicos han descubierto. La Fuerza Nuclear Débil es responsable de ciertos tipos de
radioactividad y cumple un rol en cómo arde el Sol. Estas cuatro Fuerzas tienen propiedades muy diferentes. La Gravedad y el Electromagnetismo tienen un rango muy largo, como la
gravedad del Sol afecta el trayecto del distante Plutón. En contraste, las fuerzas nucleares Fuerte y Débil solo tienen un
efecto apreciable en distancias menores a la del tamaño de un Protón. En distancias mayores a la del tamaño de un átomo, estas fuerzas esencialmente no existen. Esto es como el Velcro, donde si se tocan dos piezas quedan
firmemente unidas pero si las separas no se siente ninguna fuerza. La intensidad de estas Fuerzas es bastante diferente entre ellas. Si decimos que la intensidad de la Fuerza Nuclear Fuerte es una
unidad, como una milla o una hora entonces la intensidad del Electromagnetismo
es 100 veces menor. La intensidad de la Fuerza Nuclear Débil es 1000.000 veces menor. Y la insignificante intensidad de la Fuerza Gravitacional entre dos partículas
es de un 1 seguido de 40 ceros más débil. Que la Gravedad sea tan débil es el por qué no podemos estudiarla en
nuestros aceleradores y es un gran misterio. No entendemos por qué la Gravedad es tan débil respecto a las demás
fuerzas. La gravedad actualmente NO forma parte del Modelo Estándar. |
Something didn't stick
the quarks and leptons together there'd be no atoms and consequently no us. Physicists know of
four different forces. The most familiar
force is Gravity; it keeps us firmly attached to the earth and governs the path
of the stars and planets in the sky. It turns out that Gravity
is actually a very weak force and we don't understand how it works in the
quantum realm. However the three other
forces are very well understood. The next most
familiar force is Electromagnetism. Electromagnetism is responsible for electricity and magnetism of course But it is the reason why
light exists and in the context of building matter its most important
attribute is that it is the force that binds the electrons to atomic nuclei
makes atoms. The electromagnetic force
is responsible for all of chemistry. The other two forces
are less familiar. The first is the Strong
Nuclear Force and it is this force that ties quarks together inside Protons
and Neutrons and other particles physicists have discovered. The Weak Force is responsible
for some types of radioactivity and it plays a role in how the Sun burns. These four forces
have very different properties. Gravity and Electromagnetism
have a very long range like the gravity from the Sun affecting the path of
distant Pluto. In contrast the weak
and strong nuclear forces only have an appreciable effect over distances
smaller than the size of a proton. A distance bigger
than an atom these nuclear forces essentially don't exist. This is kind of like Velcro where if two pieces of Velcro are touching they're strongly tied together but when they're pulled apart they feel no force at all.
The strength of the forces is really quite different.
If we call the strength
of the strong force to be one unit of strength like one mile or one hour then
the strength of the Electromagnetic force is about 100 times smaller. The strength of the Weak
Force is about a hundred thousand times smaller. And the strength of
the puny force of gravity between two particles is a 1 followed by 40 zero
smaller. This weakness of Gravity
is why we can't study it at particle accelerators and it's a huge mystery we
don't understand. Why gravity is so
much weaker than the other forces. Gravity is currently NOT part of the Standard Model. |
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¿Cómo funcionan estas fuerzas? En el reino de lo súper-pequeño, debemos pensar de otra forma acerca
de las Fuerzas. A escala cuántica, Las Fuerzas son causadas por el intercambio de
partículas. Para entender cómo funciona esto, imagínate parado sobre un bote y
que alguien te lance una bola pesada. Tu bote se moverá si siente una fuerza. De igual forma, si lanzas la bola fuera del bote, éste se moverá. Todas las fuerzas subatómicas funcionan por intercambio de diferentes
tipos de partículas. Estas partículas son: El Gluón para la Fuerza Nuclear Fuerte, el
Fotón para la Fuerza electromagnética, y los Bosones W y Z para la Fuerza
Nuclear Débil. Los físicos especulan sobre una partícula llamada Gravitón para la
Gravedad pero no ha sido demostrada. Así que, ese es el Modelo Estándar: doce partículas de materia
gobernadas por tres Fuerzas que son causadas por el intercambio de cuatro
partículas. Con estos bloques, y la receta correcta, podemos construir el
Universo. Experimentos en aceleradores de partículas han completado nuestro
entendimiento del Modelo Estándar, con precisión impecable. Ahora, no quiero dejarte con la idea de que no quedan misterios por
resolver. Aunque el Modelo Estándar es la teoría más exitosa jamás diseñada aún
quedan fronteras por explorar. Por ejemplo, el Modelo Estándar incluye una partícula llamada
"El Bosón de Higgs" el cual se piensa que le da masa a las demás
partículas. Aún queda mucho por aprender en cuanto al origen de la masa, además,
no entendemos por qué hay doce partículas de masa, ni el por qué los quarks y
los leptones son diferentes. No sabemos por qué hay Cuatro Fuerzas, ni dónde encaja la Gravedad en
la imagen. Hay muchos misterios que resolver. Éstas son buenas preguntas, como las que formulábamos al principio
del video. Puedes divertirte mucho pensando en ellas. Y no hay razón por la cual nosotros los científicos debamos quedarnos con toda la diversión. Así que te invito a que te unas a mí y a mis colegas, leyendo sobre
estos temas. Puedes convertirte en un aventurero subatómico, como nosotros explorando la Frontera Cuántica. |
How do these forces
work? In the realm of the
super small we need to have a different way of thinking about forces. At the quantum scale
forces are caused by exchanging particles. To understand how
this works imagine standing in a boat and having someone throw you a heavy
sack. Your boat would move is if it felt a force similarly if you throw a heavy sack off the boat the boat would move all.
The subatomic forces work by exchanging a different kind of particle.
The particles are:
the Glue one for the Strong Nuclear Force, the Photon for the electromagnetic
force and the W and Z Bosons for the Weak Nuclear Force. Physicists speculate about a particle called the Graviton for Gravity but this has not been demonstrated. So that's the Standard Model: twelve particles of matter governed by three Forces that are caused by
the exchange of four particles. From these building
blocks with the right recipe we can build the universe. Experiments with
particle accelerators have completed our understanding of the standard model
with amazing precision. Now I don't want to
leave you with the idea that there are no mysteries left to solve. Well the standard
model is the most successful theory ever devised there are still frontiers to
explore. For instance the Standard
Model includes a particle called “the Higgs Boson” which is thought to give
mass to the other particles. We still have a lot to learn about the origins of mass, further we don't understand why there are
twelve matter particles and why the quarks and the leptons are different. We don't know why
there are Four Forces and where gravity fits into the picture. There are plenty of
mysteries to solve. These are great
questions just like the ones we started the video with. It's not a lot of fun
to think about them and there's no reason why we scientists should have all the
fun. So I invite you to join my colleagues and I by reading up on these ideas. You could become a subatomic adventurer like us exploring the Quantum Frontier.
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Las "otras 100 partículas" que habla el video son partículas subatómicas, pero no elementales (como los Quarks, leptones y bosones). Éstas partículas elementales son las que encajan en el Modelo Estándar y son éstas mismas las que forman las cientos de partículas subatómicas descubiertas en aceleradores de partículas.
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Fermilab is one of the world’s finest laboratories dedicated to studying fundamental questions about nature. In this video, Fermilab’s own Dr. Don Lincoln talks about some of Fermilab’s leading research efforts that will lead the field for the next decade or two. If you want to learn more about Fermilab’s research, there is more information here:
https://www.youtube.com/watch?v=DeaSJQprYlA&feature=youtu.be
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viernes, 16 de septiembre de 2016
La quinta fuerza, el puente entre nuestro mundo y el de la materia oscura.
Fuerzas fundamentales son aquellas fuerzas del Universo que no se pueden explicar en función de otras más básicas.
Las fuerzas o interacciones fundamentales conocidas hasta ahora son
cuatro: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.
La gravitatoria es la fuerza de atracción que un trozo de
materia ejerce sobre otro, y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es
una fuerza muy débil y de un sólo sentido, pero de alcance infinito.
La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos
eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las
transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más
intensa que la fuerza gravitatoria, tiene dos sentidos (positivo y
negativo) y su alcance es infinito.
La fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene
unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente
entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es
del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la
fuerza electromagnética.
La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de
la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles
únicamente a este tipo de interacción. Su intensidad es menor que la de
la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la
interacción nuclear fuerte.
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Físicos húngaros creen haber encontrado una quinta fuerza fundamental hasta ahora desconocida, al detectar la desintegración radiactiva de los partidos políticos en España.
Hay dos teorías: la de la relatividad general, que describe muy bien como se comportan los objetos grandes y como funciona la gravedad;
y la física cuántica, que describe muy bien como se
comportan las partículas microscópicas (quarks, átomos, fotones) y
también como se comportan el resto de fuerzas (electromagnética, nuclear
fuerte, nuclear débil).
Pero cuando se intentan unir esas dos teorías no se puede, no hay forma
de juntarlas.
Cada una describe una parte del universo pero es incapaz
de describir la otra.
Aquí es donde entra la teoría de cuerdas
que pretende juntar esas dos teorías en una teoría más básica que
describa todo el universo. Nuestro universo tendría 11 dimensiones en
vez de 4 (3 espaciales + 1 temporal).
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| YouTube El Universo Elegante: El sueño de Einstein |
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| YouTube - Documental sobre la vida de Einstein |
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6 famosos experimentos mentales que cambiaron la manera en la que vemos el mundo
¿Puede explicarse el cerebro humano usando física cuántica?
How liars create the ‘illusion of truth’
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