Fuerzas Fundamentales y otros misterios.

Fuerzas Fundamentales:

Como pueden haber deducido, me estoy refiriendo a cualquiera de los cuatro tipos diferentes de interacciones que pueden ocurrir entre los cuerpos.  Estas interacciones pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico y juntas pueden explicar todas las fuerzas que se observan en el Universo.

Viene de lejos el deseo de muchos físicos que han tratado de unificar, en una teoría o modelo, a las cuatro fuerzas, que pudieran expresarse mediante un conjunto de ecuaciones.  Einstein se pasó los últimos años de su vida intentándolo, pero igual que otros, antes y después de él, aún no se ha conseguido dicha teoría unificadora de los cuatro interacciones fundamentales del Universo.  Se han hecho progresos en la unificación de interacciones electromagnéticas y débiles.

Antes, cuando hablamos de la relatividad general, ya se adelantó el concepto de la fuerza Gravitatoria, unas 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza electromagnética, es la más débil de todas las fuerzas y sólo actúa entre los cuerpos que tienen masa, es siempre atractiva y pierde intensidad a medida que las distancias entre los cuerpos se agrandan.  Como ya se ha dicho, su cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos.  En la escala atómica, esta fuerza es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener a los componentes del Universo juntos.  De hecho, sin esta fuerza, no existiría el Sistema Solar, ni las galaxias, y seguramente, ni nosotros tampoco estaríamos aquí.  Es la fuerza que tira de nuestros pies y los mantiene firmemente asentados a la superficie del planeta.  Aunque la teoría clasica de la Gravedad fue la que nos dejó Isaac Newton, la teoría macroscópica bien definida y sin fisuras de la gravitación universal, es la relatividad general de Einstein, mucho más completa y profunda.

Por el momento, no hay una teoría cuántica de la interacción gravitatoria satisfactoria.  Es posible que la pueda dar una teoría cuántica de la gravitación consistente, además de unificar la gravedad con los demás interacciones fundamentales sin que surjan los dichosos e indeseados infinitos.

teoría de supercuerdasLa interacción débil, que es unas 10¹⁰ veces menor que la interacción y electromagnética, ocurre entre Leptones y en la desintegración de los Hadrones.  Es responsable de la desintegración beta de las partículas y núcleos.  En el modelo actual, la interacción débil se entiende como una fuerza mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios que, para esta fuerza son las partículas w⁺, w^– y Z°.  Las interacciones débiles son descritas por la teoría electrodébil, que las unifica con las interacciones electromagnéticas.

La teoría electrodébil es una teoría gange de éxito que fue propuesta en 1.967 por Steven Weinberg y Vaduz Salam, conocida como modelo WS.  También Sheldon Glashow, propuso otra similar.

La interacción fuerte es unas 10² veces mayor que la interacción electromagnética y como ya se dijo antes, aparece sólo entre los Hadrones y es la responsable de las fuerzas entre nucleones que confiere a los núcleos de los átomos su gran estabilidad.  Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (10^-15 metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por intercambio de mesones virtuales.  Esta descrita por una teoría gange llamada cromodinámica cuántica.

Me he referido a una teoría gange que son teorías cuánticas de campo creadas para explicar las interacciones fundamentales.  Una teoría gange requiere un grupo de simetría para los campos y las potenciales (el grupo gange).  En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gange para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos.  Las teorías gange no abelianas son conocidas como teorías de Yang-Mills.  Esta diferencia explica porque la electrodinámica cuántica, que describe las interacciones fuertes, y la teoría electrodébil que unifica la fuerza débil con la electromagnética.  En el caso de la Gravedad cuántica, el grupo gange es mucho más complicado que los anteriores necesarios para la fuerza fuerte y electrodébil.

En las teorías gange, las interacciones entre partículas se pueden explicar por el intercambio de partículas (bosones vectoriales intermediarios o bosones gante), como los gluones, fotones y los W y Z.

El físico Enrico Fermi, refiriéndose al gran número de partículas existentes, dijo: “Si tuviera que saber el nombre de todas las partículas, me habría hecho botánico.”

Por motivo parecido, aunque antes hemos descritos los grupos o familias más importantes de partículas, lógicamente, solo se nombraron las más comunes, importantes y conocidas como:

• Protón que una partícula elemental estable que tiene una carga positiva igual en magnitud a la del electrón  y posee una masa de 1,672614×10^-27 kg, que es 1836,12 veces la del electrón.  El protón aparece en los núcleos atómicos, por eso es un nucleón que está formado por partículas más simples, los quarks.

• Neutrón que es un hadrón como el protón pero con carga neutra y también permanece en el núcleo, pero que se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino con una vida media de 12 minutos fuera del núcleo.  Su masa es ligeramente mayor que la del protón (símbolo m_n), siendo de 1,6749286(10)x10^-27 kg.  Los neutrones aparecen en todos los núcleos atómicos excepto en el del hidrógeno normal que está formado por un solo protón.  Su existencia fue descubierta y anunciada por primera vez en 1.932 por James Chadwick (1891-1974).

• Neutrino, que es un leptón que existe en tres formas exactas pero con distintas masas.  Tenemos el v_e (neutrino electrónico) que acompaña al electrón, v_u (neutrino múonico) que acompaña al muón, y, v_T (neutrinotan) que acompaña a la partícula tan, la más pesada de las tres.  Cada forma de neutrino tiene su propia antipartícula.

El neutrino fue postulado en 1.931 para explicar la “energía perdida” en la desintegración beta, fue identificado de forma tentativa en 1.953 y, definitivamente, en 1.956.  Los neutrinos no tienen carga y se piensa que tienen masa en reposo nula y viajan a la velocidad de la luz, como el fotón.  Hay teorías de gran unificación que predicen neutrinos con masa no nula, pero no hay evidencia concluyente.

• Electrón, que es una partícula elemental clasificada como leptón, con una carga de 9, 109 3897 (54)x10^-31 Kg y una carga negativa de 1, 602 177 33 (49)x10^-19 culombios.  Los electrones están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor están presentes en todos los átomos en agrupamientos llamados capas alrededor del núcleo; cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres.  Su antipartícula es el positrón, predicha por Paul Dirac.

El electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Joseph John Thomson (1.856-1940).  El problema de la estructura (si la hay) del electrón no está resuelto.  Si el electrón se considera como una carga puntual, su autoenergía es infinita y surgen dificultades en la ecuación conocida como de Lorente-Dirac.

Es posible dar al electrón un tamaño no nulo con un radio p_°o =e²/(mc²)=2,82×10^-13 cm., donde e y m son la carga y la masa, respectivamente, del electrón y c es la velocidad de la luz.  Este modelo también tiene problemas, como la necesidad de postular las tensiones de Poincaré.

Ahora se cree que los problemas asociados con el electrón deben ser analizados utilizando electrodinámica cuántica en vez de electrodinámica clásica.

• Pión, que es una partícula elemental clasificada como mesón de la familia de los Hadrones al igual que el protón y el neutron que siendo hadrones están clasificados como bariones.

El pión existe entre formas diferentes: neutro, con carga positiva y, con carga negativa.

Los piones cargados se desintegran en muones y neutrinos (leptones); el pión neutro se desintegra en dos fotones de rayos gamma.

Los piones como los kaones y otros mesones, como hemos dicho son una subclase de los hadrones; están constituidos por pares quark-antiquark y se cree que participan en las fuerzas que mantienen a los nucleones juntos en el núcleo.  Al principio se pensó que el muón era un mesón, pero ahora se incluye entre los leptones como la variedad intermedia entre el electrón y la partícula tan.

Como dije antes, existe una lista interminable de partículas que necesitarían esta libreta completa para hablar de ellas, así que me he limitado a los más importantes en la composición de la materia.

Al comienzo del trabajo aparecen una serie de preguntas de las que algunas ya tienen aquí su respuesta y, algunos se asombran al saber que, de partículas infinitesimales como estas aquí antes descritas es de lo que están formadas las estrellas, las galaxias y nosotros mismos. Los agujeros negros también se forman a partir de estos materiales.

No tiene ningun sentido explicar, sin más, lo que es un Agujero Negro sin que antes explique algo sobre las estrellas que, en definitiva, son las que dan el origen de estos fenómenos cosmológicos conocidos como Agujeros Negros, estrellas enanas blancas,  o de Neutrones que, son los objetos más densos que existen en nuestro Universo. (Al menos hasta donde conocemos).

Las estrellas, enormes bolas de gas y polvo, luminosos que, desde su nacimiento, producen energía por la fusión nuclear del Hidrógeno para formar Helio.  El termino, por tanto, no solo incluye estrellas como el Sol, que están en la actualidad quemando Hidrógeno, sino también protoestrellas, aún no lo suficientemente calientes como para que dicho combustión haya comenzado, y varios tipos de objetos evolucionados como las estrellas gigantes y supergigantes, que están quemando otros combustibles nucleares más complejos que el hidrógeno, o las enanas blancas y las estrellas nucleares, que están formadas por combustibles nuclear gastado.

La masa máxima de una estrella es de unas 120 masas solares, por encima de la cual sería destruida por su propia radiación.  La masa mínima está calculada en 0’80 masas solares; por debajo de ella, los objetos no serían lo suficientemente calientes en sus núcleos como para que comience la combustión del hidrógeno, y se convertirían en enanas marrones.  Las luminosidades de estrellas varían desde alrededor de medio millón de veces la luminosidad del Sol para las más calientes hasta menos de una milésima de la del Sol para las enanas más débiles.  Aunque las estrellas más prominentes visibles a simple vista son más luminosas que el Sol, la mayoría de las estrellas son en realidad más débiles que este y, por tanto, imperceptibles a simple vista.

Las estrellas brillan como resultado de la conversión de masa en energía por medio de reacciones nucleares, siendo los más importantes los que involucran al hidrógeno.  Por cada kilogramo de hidrógeno quemado de esta manera, se convierte en energía aproximadamente siete gramos de masa (el 7 ^·/.. ).   De acuerdo a la famosa ecuación E=mc², los siete gramos equivalen a una energía de 6’3×10¹⁴ julios.  Las reacciones nucleares no solo aportan el calor y la luz de las estrellas, sino que también producen elementos más pesados y complejos que el hidrógeno y el helio.

Estos elementos pesados y más complejos (Litio, Carbono, Oxígeno, etc) han sido distribuidos por el espacio, de tal manera que, estan presentes por todo el Universo mediante explosiones de supernovas o por medio de nebulosas planetarias y vientos estelares.

De hecho, nuestra presencia aquí sería imposible sin que, el material del que estamos hecho (polvo de estrellas), no se hubiera fabricado antes en alguna estrella lejana, hace miles de años y seguramente a muchos años-luz de nuestro sistema solar.

Las estrellas se pueden clasificar de muchas maneras.  Una manera es mediante su etapa evolutiva: en presencia principal, secuencia principal, gigante, supergigante, enana blanca o estrella de neutrones y, para las más masivas, su evolución hasta agujeros negros.

También se clasifican por sus espectros, que indica sus temperaturas superficiales.  Otra manera es en poblaciones I, II y III, que engloban estrellas con abundancias progresivamente menores de elementos pesados, indicando paulatinamente una mayor de edad, también se clasifican por el método conocido como evolución estelar.

La cantidad de estrellas conocidos en su variedad por uno u otro motivo, es en realidad muy abundante, como por ejemplo:

Estrella binaria, estrella “capullo”, de baja velocidad, con envoltura, con exceso de ultravioleta, de alta velocidad, de baja luminosidad, de baja masa, estrella de borio, estrella de bariones, estrella de campo, estrella de carbono, de circonio, de estroncio, de helio, de población I extrema, de población intermedia, estrella de la rama gigante asintótica, de litio, de manganeso, de manganeso-mercurio, de mercurio-manganeso, de metales pesados, de neutrones, de quarks, de referencia, de silicio, de tecnecio, de tipo intermedio, de tipo tardío, de tipo temprano, estrella del polo, estrella doble, estrella enana, estrella estándar, evolucionada, etc. etc.

La interacción electromagnética es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas.  Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas.  La interacción se puede interpretar tanto como un modelo clásico de fuerzas (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales.  Igual que en las interacciones gravitatorias, el hecho de que las interacciones electromagnéticas sean de largo alcance significa que tiene una teoría clásica bien definida dadas por las ecuaciones de Maxwell.  La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas se describe con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

Es verdad que la Naturaleza es compleja y tenemos que tratar de comprenderla pero, por mi parte, soy menos complicado y como rige el principio de la física conocida como Navaja de Occan, creo en un camino más simple y sencillo:  El Universo, en sus comienzos, produjo enormes cantidades de partículas de materia y de antimateria, y el número de una y otra no era igual sino que, no se sabe por qué varón, las partículas positivas eran más que las negativas.

Todos sabemos que un protón cuándo se encuentra con un antiprotón (materia con antimateria) ambos se destruyen.

Una vez destruidos todos los pones materia antimateria, quedó el sobrante de partículas positivas que es la materia de nuestro Universo.

De esa manera se formaron, con esas partículas positivas y los electrones (hadrones y leptones), se originaron grandes conglomerados de gas y polvo que giraban lentamente, fragmentándose en vórtices turbulentos que se condensaban finalmente en estrellas.

Estos conglomerados de gas y polvo podían tener extensiones de años-luz de diámetro y, en algunas regiones donde la formación de estrellas fue muy activa, casi todo el polvo y el gas fue a parar a una estrella u otra.  Poco o nada fue lo que quedo en los espacios intermedios.  Esto es cierto para los cúmulos globulares, las galaxias elípticas y el núcleo central de las galaxias espirales.

Dicho proceso fue mucho menos eficaz en las afueras de las galaxias espirales.  Las estrellas se formaron en números muchos menores y sobró mucho polvo y mucho gas.

Nosotros, los habitantes del planeta Tierra, nos encontramos en los brazos espirales de nuestra galaxia, estamos situados en la periferia a unos 30.000 años luz del centro galáctico y vemos las manchas oscuras que proyectan las nubes de polvo contra el resplandor de la Vía Láctea.  El centro de nuestra propia galaxia queda oscurecido por tales nubes.

Estas nubes enormes de polvo cósmico es el material primario del que hacen las estrellas.  Este material del que está formado el Universo consiste en su mayor parte, como se ha dicho anteriormente, de hidrógeno y helio.  Los átomos de helio no tienen ninguna tendencia a juntarse unos con otros.  Los de hidrógeno sí, pero solo en parejas, formando moléculas de Hidrógeno (H₂).  Quiere decirse que la mayor parte del material que flota entre las estrellas consiste en pequeños átomos de helio o en pequeños átomos y moléculas de hidrógeno.  Todo ello constituye el gas interestelar, que forma la mayor parte de la materia que circula en el Universo entre las estrellas.

El polvo interestelar o polvo cósmico, que se halla presente en cantidades mucho más pequeñas, se compone de partículas diminutas, pero mucho más grandes que átomos o moléculas, y por tanto deben contener átomos que no son ni de hidrógeno ni de helio, son átomos de materiales más complejos.

El tipo de átomo más común en el Universo, después del hidrógeno y el helio, es el de oxígeno.  El oxígeno puede combinarse con hidrógeno para formar grupos oxidrilo (HO) y moléculas de agua (H₂O), que tienen una arcada tendencia a unirse a otros grupos y moléculas del mismo tipo que encuentren en el camino, de forma que poco a poco se van constituyendo pequeñísimas partículas compuestas por millones y millones de tales moléculas.  Los grupos oxidrilo y las moléculas de agua pueden llegar a constituir cuya parte importante del polvo cósmico.

En 1.965, se detectó por primera vez grupos oxhidrilo en el espacio  y se comenzó a estudiar su distribución.  Desde entonces se ha informado también de la existencia de moléculas más complejas que contienen átomos de carbono, así como de hidrógeno y oxígeno.  El polvo cósmico contiene también agrupaciones atómicas formadas por átomos menos comunes y más complejos que los ya mencionados.  Los materiales más pesados y complejos se fabrican en los hornos termonucleares, los núcleos de las estrellas, y cuando, al final de su existencia como tales estrellas, explotan en súper novas, estos materiales son lanzados al espacio a velocidades increíbles y siembra, el vacío estelar de materiales complejos que más tarde, sirven de material para formar nuevas estrellas de II generación.

En el espacio estelar se han detectado también átomos de calcio, sodio, potasio y hierro, observado la luz que esos átomos absorben.

Dentro de nuestro sistema solar hay un material parecido, aportado quizás por los cometas.  Es posible que fuera de los límites visibles del sistema solar exista una conglomeración grande de cometas, y que algunos de ellos se precipiten hacia el Sol (atraídos por la gravedad).  Los cometas son formaciones de fragmentos sólidos de metal y roca, unidos por una mezcla de hielo, metan y amoníaco congelados y otros materiales parecidos.  Cada vez que un cometa se aproxima al Sol, se evapora parte de su materia, liberando diminutas partículas sólidas que se esparcen por el espacio en forma de larga cola.  En última instancia, el cometa se desintegra por completo.

A lo largo de la historia del sistema solar se han desintegrado innumerables cometas y han llenado de polvo el espacio interior del sistema solar.  La Tierra recoge cada día miles de millones de partículas de polvo (“micrometeoroides”).  Los científicos espaciales se interesan por ellas por diversas razones; una de ellas es que los micrometeoroides de mayor tamaño podrían suponer un peligro para los futuros astronautas y colonizadores de la Luna.

en 650 Cuándo me sumerjo en los misterios y maravillas que encierra el Universo, no puedo dejar de sorprenderme por sus complejas y bellas formaciones, la inmensidad, la diversidad, las fuerzas que están presentes, los objetos que lo pueblan, etc.

Pensemos por ejemplo que un átomo tiene aproximadamente 10^-8 centímetros de diámetros.  En los sólidos y líquidos ordinarios los átomos están muy juntos, casi en contacto mutuo.  La densidad de los sólidos y líquidos ordinarios depende por tanto del tamaño exacto de los átomos, del grado de empaquetamiento y del peso de los distintos átomos.

De los sólidos ordinarios, el menos denso es el hidrógeno solidificado, con una densidad de 0,076 gramos por cm³.  El más denso es un metal raro, el osmio, con una densidad de 22’48 gramos/cm³.

Si los átomos fuesen bolas macizas e incompresibles, el osmio sería el material más denso posible, y un centímetro cúbico de materia jamás podría pesar ni un kilogramo, y mucho menos toneladas.

Pero los átomos no son macizos.  El físico neozelandés, experimentados por excelencia,  Ernest Ruthertord demostró en 1.909 que los átomos eran en su mayor parte espacio vacío. La corteza exterior de los átomos contiene sólo electrones ligerísimos, mientras que el 99’9% de la masa del átomo está concentrada en una estructura diminuta situada en el centro:  el núcleo atómico.

El núcleo atómico tiene un diámetro de unos 10^-15 cm. (aproximadamente 1/100.000 del propio átomo).  Si los átomos de una esfera de materia se pudieran estrujar hasta el punto de desplazar todos los electrones y dejar a los núcleos atómicos en contacto mutuo, el diámetro de la esfera disminuiría hasta un nivel de 1/100.000 de su tamaño original.

De manera análoga, si se pudiera comprimir la Tierra hasta dejarla reducida a un balón de núcleos atómicos,  toda su materia quedaría reducida a una esfera de unos 130 metros de diámetro.  En esas mismas condiciones, el Sol mediría 13’7 km. De diámetro en lugar de los 1.392.530 km.  Que realmente mide.  Y si pudiéramos convertir toda la materia conocida del Universo en núcleos atómicos en contacto, obtendríamos una esfera de solo algunos cientos de miles de km. De diámetro, que cabría cómodamente dentro del cinturón de asteroides del Sistema solar.

El calor y la presión que reinan en el centro de las estrellas rompen la estructura atómica y permiten que los núcleos atómicos empiecen a empaquetarse unos junto a otros.  Las densidades en el centro del Sol son mucho más altas que la des osmio, pero como los núcleos atómicos se mueven de un lado a otros sin impedimento alguno, el material sigue siendo un gas.  Has estrellas que se componen casi por entero de tales átomos destrozados.  La compañera de la estrella Sirio es una “enana blanca” no mayor que el planeta Urano, y sin embargo tiene una masa parecida a la del Sol.

Los núcleos atómicos se componen de protones y neutrones.  Ya hemos dicho antes que, todos los protones tienen carga eléctrica positiva y se repelen entre sí, de modo que en un lugar dado no se pueden reunir más de un centenar de ellos.  Los neutrones, por el contrario, no tienen carga eléctrica y en condiciones adecuadas pueden estar juntos y empaquetados un enorme número de ellos para formar una “estrella de neutrones”.  Los púlsares, según se cree, son estrellas de neutrones en rápida rotación.

La densidad que se alcanza en uno de estos objetos cosmológicos es tan grande que, una cucharadita del material de una estrella de nuetrones podría pesar algunos miles de toneladas, y, si la estrella es de Quarks, no sería extraño que en un cm3 pudiera estar comprimida toda la masa de la Humanidad.

emilio silvera

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