Las cuatro fuerzas fundamentales del universo
0. Introducción.
La historia de las ciencias naturales siempre ha perseguido el ideal de la unificación. Esto es reducir el funcionamiento del universo de fenómenos conocidos a un conjunto de leyes y elementos como un código claramente determinado. Es más, en la actualidad, es el deseo de los físicos, por ejemplo, integrar el mundo de la mecánica clásica con la mecánica cuántica. Eso nos daría una teoría del Todo, pero aún no es esquiva.
Pero intentos de este tipo han habido varios y con resultado, por lo general, satisfactorios. Por ejemplo, y cada uno por sus propio camino, Galileo y Kepler: el primero describiendo los efectos de la gravedad en la Tierra y, el segundo, describiendo el movimiento planetario de manera independiente. Sin embargo, en 1678, Newton, el Moisés moderno, unificó ambos trabajos y advirtió nuevos fenómenos mediante la descripción de la fuerza gravitatoria. En este mismo espíritu, y antes del siglo XIX, Volta y Coulumb habían descrito el fenómeno eléctrico con grande detalle. Pero fue en el 1820 que Orsted identificó magnetismo en relación a la electricidad, sin llegar a vincular ambos fenómenos plenamente. Fue hasta 1861 que Maxwell estableció ecuaciones de la onda electromagnética y, con ello, unificó ambos fenómenos en un solo concepto: el electromagnetismo. Por último, y ya en épocas más actuales y con el desarrollo de la física nuclear, se descubrieron la fuerza nuclear fuerte y débil. Este avance fue importante, pero con el surgimiento del modelo estándar, esta idea de unificación en la que todos los elementos que interactúan se listan, se entendió que estas fuerza tienen lugar gracias a la interacción de bosones. Es decir, los bosones son las partículas portadoras de dichas fuerzas. Así fue que se explicó un fenómeno inicialmente visto como fuerzas en interacciones de partículas.
En esta breve revisión, hemos podido observar el impulso de síntesis que guía a las ciencias. Y, de la misma manera, hemos podido encontrar a las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que explican cómo interactúan las partículas y los cuerpos en todo el universo conocido. En lo que queda de nuestro texto, revisaremos cada una con cierto detalle.
Resumen
-La gravedad es la fuerza de atracción que actúa entre todas las masas del universo. Es la más débil de las cuatro fuerzas, pero tiene un alcance infinito y es la dominante a grandes escalas, como en la interacción entre planetas y estrellas.
-Para la Teoría General de la Relatividad de Einstein, la gravedad no es una fuerza en el sentido clásico, sino una curvatura del espacio-tiempo provocada por la presencia de masa y energía.
-El electromagnetismo es la fuerza que actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Abarca tanto la fuerza eléctrica como la magnética y es responsable de casi todas las interacciones cotidianas a nivel atómico y molecular.
-La Fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico. Es extremadamente fuerte, pero actúa a distancias muy cortas, del orden de los tamaños nucleares. El ejemplo clásico de esta fuerza es la estabilidad de los núcleos atómicos.
La Fuerza nuclear débil es responsable de ciertos tipos de desintegración radiactiva y de las interacciones que involucran neutrinos. Es más débil que la fuerza nuclear fuerte y el electromagnetismo, pero más fuerte que la gravedad a nivel subatómico.
- Gravitación
Es la fuerza de atracción que actúa entre todas las masas del universo. Es la más débil de las cuatro fuerzas, pero tiene un alcance infinito y es la dominante a grandes escalas, como en la interacción entre planetas y estrellas. Para citar un ejemplo en nuestra vida cotidiana podríamos mencionar la caída de un objeto: cuando sueltas un lapicero, cae al suelo debido a la atracción gravitacional de la Tierra. Se sabe además que la aceleración gravitatoria es de aproximadamente 9.81 m/s² en la superficie terrestre.
Otro ejemplo serían las reglas que organizan la órbita de la Luna: esta orbita alrededor de la Tierra por la fuerza gravitacional que ejerce nuestro planeta. Esta interacción gravitacional entre la Tierra y la Luna crea una fuerza centrípeta que mantiene a la Luna en órbita alrededor de nuestro planeta.
Como se sabe, para la Teoría General de la Relatividad de Einstein, la gravedad no es una fuerza en el sentido clásico, sino una curvatura del espacio-tiempo provocada por la presencia de masa y energía. Esto hace que los cuerpos de menor masa se vean “atraídos” al entorno de los cuerpos con una masa mayor. Además, es la fuerza que mayor problema trae en la actualidad para hacerla calzar en el denominado “modelo estándar”. Esto porque entedemos la gravedad como una fuerza geométrica y no como la interacción entre partículas como en las otras fuerzas a explicar. Seguro más adelante dedicaremos un post exclusivo sobre esta fuerza específica.
- Electromagnetismo
Es la fuerza que actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Abarca tanto la fuerza eléctrica como la magnética y es responsable de casi todas las interacciones cotidianas a nivel atómico y molecular. La fuerza electromagnética es descrita por las ecuaciones de Maxwell, y es responsable de una gran variedad de fenómenos físicos, desde la luz hasta las interacciones químicas entre átomos y moléculas.
Tengo dos ejemplos cercanos: el imán de una nevera y la carga de estática de un globo por frotación. Por un lado, un imán se adhiere a la puerta metálica del refrigerador debido a la fuerza magnética. Por otro lado, cuando frotas un globo contra tu cabello y luego lo acercas a pedacitos de papel, estos son atraídos hacia el globo debido a la carga eléctrica que se ha acumulado. Lo que ha sucedido es que se transfiere una cantidad de electrones al globo y con ello genera una diferencia de potencial eléctrico que atrae pequeños objetos debido a las fuerzas de Coulomb. A esta se le conoce como electricidad estática.
- Fuerza Nuclear Fuerte
Es la fuerza que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico. Es extremadamente fuerte, pero actúa a distancias muy cortas, del orden de los tamaños nucleares. El ejemplo clásico de esta fuerza es la estabilidad de los núcleos atómicos: los protones en el núcleo del átomo de helio están muy cerca unos de otros y se repelen por sus cargas positivas, pero la fuerza nuclear fuerte los mantiene unidos.
- Fuerza Nuclear Débil
Es responsable de ciertos tipos de desintegración radiactiva y de las interacciones que involucran neutrinos. Es más débil que la fuerza nuclear fuerte y el electromagnetismo, pero más fuerte que la gravedad a nivel subatómico. Hay dos ejemplos canónicos de esta fuerza: la desintegración beta y las reacciones nucleares en el sol. Por un lado, en el proceso de desintegración beta, un neutrón en un núcleo atómico se transforma en un protón, un electrón y un anti-neutrino. Todo esto debido a la fuerza nuclear débil. Por otro lado, la fuerza nuclear débil juega un papel crucial en las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en el Sol, donde los protones se convierten en neutrones, liberando energía. Estas son la causa de las explosiones que podemos observar en el sol.