El Universo y las fuerzas que lo rigen

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 clásica 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 teoría de supercuerdas 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.

La interacción débil, que es unas 10 exp.10 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 Zº. Las interacciones débiles son descritas por la teoría electrodébil, que las unifica con las interacciones electromagnéticas.

La teoría electrodébil es una teoría gauge de éxito que fue propuesta en 1967 por Steven Weinberg y Abdus Salam, conocida como modelo WS. También Sheldon Glashow, propuso otra similar.
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.

La interacción fuerte es unas 10 exp.2 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 exp.-15 metros) y se puede interpretar como una interacción mediada por intercambio de mesones virtuales. Esta descrita por una teoría gauge llamada cromodinámica cuántica.

Me he referido a una teoría gauge que son teorías cuánticas de campo creadas para explicar las interacciones fundamentales. Una teoría gauge requiere un grupo de simetría para los campos y las potenciales (el grupo gauge). En el caso de la electrodinámica, el grupo es abeliano, mientras que las teorías gauge para las interacciones fuertes y débiles utilizan grupos no abelianos. Las teorías gauge 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 gauge es mucho más complicado que los anteriores necesarios para la fuerza fuerte y electrodébil.

En las teorías gauge, 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.” Se lo comentó a León Lederman, Premio Nobel de Física, cuando aún era jovén y coincidieron en un Congreso.

Por motivo parecido, aunque en otrtos comentarios ya hemos descrito los grupos o familias más importantes de partículas, lógicamente, solo se nombraron las más comunes, importantes y conocidas como:

Protón que es 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 mn), siendo de 1,6749286(10) x 10^-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 1932 por James Chadwick (1891-1974).

Serían necesarias muchas páginas para poder describir y comentar sobre todas las partículas conocidas y que, dentro del Modelo estándar de la Física estaán bien descritas cada una de ellas con sus caracterísiticas partículares. Sin embargo, el trabajo no está finalizado y queda mucho por hacer, ya que, entre otras cosas, el Modelo deja fuera a una de las fuerzas, la Gravedad, y, además, posee una veintena de parámetros aleatorios, como metidos allí con calzador para que las cuentas cuadren, entre ellos está el Bosón de Higgs, necesario para explicar la masa de las partículas y que ahora, tratará de encontrar el LHC. Si lo encuentra, se habrá dado un paso adelante en la perfección del modelo y, si no es así, habrá que buscar en otra dirección.

¡Es tanto lo que no sabemos! Muchos han sido los que han tenido un pensamiento en esa dirección desde aquella famosa “lo que se es que no se nada” y, más perfeccionada de Carl Popper, “Cuanto más profundizo en la verdad de las cosas, más convencido estoy de lo poco que se, ya que, mientras que mis conocimientos son limitados, mi ignorancia es infinita.”

Siendo verdad esos profundos pensamientos, también han venido a revelear el verdadero sentir del ser humano que, a pesar de ser consciente de esas limitaciones, nunca se ha rendido y, desde hace algunos miles de años, no cesa en la búsqueda de esas regiones en las que podrá encontrar las respuestas que, muchas veces, están situadas en los más recóndidos ríncones del Universo mismo, a distancias siderales en el espacio o en las entrañas de la materia, y, de una u otra manera, allí llegamos para tratar de “ver” aquello que nos pueda explicar el por qué son así las cosas.

¡La lucha del ser humano por saber! Una batalla eterna en el tiempo y en el espacio que, lleva a sus espaldas ya, muchas Civilizaciones que han quedado registradas en la Historia, y, no son pocos los hechos que, formando parte de esa Historia, ni han sido recogidos, sino que, han tenido que ser deducidos por los vestigios dejados y encontrados después de milenios. Lo que sólo fue posible gracias a los adelantos tecnológicos y a las conocimientos adquiridos.

Así seguiremos, al menos, hasta que nuestra Civilización perdure en la Galaxia que, dicho sea de paso, está destinada a un encuentro cataclísmico con nuestra vecina Andrómeda dentro de unos 3.000 – 4.000 millones de años. Andrómeda se nos acerca a más de 400.000 Km/h y, aunque está algo lejos, el tiempo pasa y las distancias se acortan. Por otra parte, nuestro Sol, para ese tiempo, habrá consumido su combustibles nuclear de fusión y, resistiéndose a morir, se habrá convertido en una Gigante roja que habrá crecido tánto que cubrirá a Mercurio, a Venues y, probablemente la Tierra. Pero, mucho antes de todo eso, las temperaturas serán tan altas que se evaporarán los mares y océanos del planeta.

Si para entonces seguimos aquí, ¿habremos encontrado la manera de viajar a las estrellas?

emilio silvera

emilio silvera

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