Las fuerzas de la Naturaleza y los componentes de la materia

Las interacciones fundamentales de la naturaleza son cuatro:

Si cualquiera de estas fuerzas fundamentales del universo fuera diferente, aunque la variación sólo fuera del 1 por millón, el universo sería otra cosa distinta a lo que conocemos, y nosotros no estaríamos aquí hablando de ello.

Pero lo que procede ahora, siguiendo la técnica de los físicos de hacer las cosas por partes pequeñas para que al final lo tengamos todo (todo lo grande está hecho de cosas pequeñas), es explicar, una por una y con detalle, las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Cualquiera de estas cuatro fuerzas, diferentes en su forma de interaccionar, que pueden ocurrir entre los cuerpos y que pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no están en contacto físico, juntas pueden explicar todos los fenómenos que observamos en nuestro universo.

La interacción o fuerza gravitacional

Más coloquialmente conocida como fuerza de la gravedad, es unas 10⁴⁰ veces más débil que la interacción electromagnética; en realidad es la más débil de todas. La fuerza que genera actúa entre todos los cuerpos que tienen masa, y la fuerza siempre es atractiva. La interacción puede ser comprendida utilizando un campo clásico en el que la intensidad de la fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia entre cuerpos interaccionantes. Gravitación, en el sentido en el que la veía Newton, es una fuerza de fórmula F = GM₁M₂/d² de donde se sigue que g = GM/d². G es la constante gravitacional, M es la masa de La Tierra y d la distancia del cuerpo al centro. La intensidad de atracción depende de la masa de los cuerpos y de la distancia entre ellos como queda explicado en la formulación matemática anterior. En la teoría general de la relatividad, la gravitación se interpreta como una distorsión del espacio. Las fuerzas gravitacionales son importantes sólo entre grandes masas como estrellas, planetas y satélites, y es esta fuerza la responsable de mantener unidos los componentes principales del universo. No obstante, a escala atómica la fuerza gravitacional es, como se ha dicho, 10⁴⁰ veces más débil que la fuerza de atracción electromagnética.

El hipotético cuanto de gravitación, el gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos, pero aún no ha podido ser detectado, toda vez que al ser la fuerza más débil de todas, su bosón mediador también es muy débil de difícil de detectar. Y aunque esta fuerza es despreciable en el universo de lo muy pequeño, el ámbito atómico, en la escala cosmológica, donde las masas son enormes, se deja sentir con claridad y contundencia, y debido a que esta fuerza es de largo alcance, hay una teoría macroscópica bien definida, que es la antes mencionada relatividad general de Einstein, que la describe perfectamente, y además, de ella se extraen consecuencias impensables antes de su formulación. La fuerza de la gravedad es la que finalmente prevalece en las estrellas al final de sus vidas como tales, y dependiendo de sus masas, la gravedad las convierte en estrellas enanas blancas (caso de nuestro Sol), en estrellas de neutrones o en agujeros negros (para estrellas más masivas).

Por el momento nadie ha sabido encontrar una teoría cuántica de la interacción gravitatoria que sea satisfactoria. Cuando tratamos de unir la relatividad general de Einstein con la mecánica cuántica de Max Planck, Heisemberg, Schrödinger y otros, parece como un choque de trenes de alta velocidad; el terremoto queda servido y aparecen infinitos y respuestas inexplicables a preguntas bien formuladas. Son, de momento, incompatibles. La teoría de supercuerdas de Witten y otros, al trabajar con dimensiones más altas, parece que tienen la posibilidad de unir las dos teorías de forma natural.

Podríamos extendernos algo más sobre la teoría gravitatoria, pero hay que seguir la pauta propuesta de ir paso a paso exponiendo sencilla y básicamente las cuestiones que deseamos plantear, así que una vez ha quedado plasmada una idea de lo que es la interacción gravitacional, pasaremos a describir la fuerza siguiente.

La interacción nuclear débil

Esta fuerza es unas 10¹⁰ veces menor que la interacción electromagnética. Ocurre entre leptones* y en la desintegración de los hadrones*. Es la 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. Las interacciones débiles son descritas por la teoría electrodébil, que la unifica con las interacciones electromagnéticas.

Las partículas mediadoras, de gran masa, son las W⁺, W^– y Z⁰. Esta interacción está presente cuando se desintegran de forma natural elementos radiactivos como el uranio.

El electromagnetismo

Es la fuerza responsable de controlar la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos relacionados con la electricidad y el magnetismo, que son dos aspectos de una misma cuestión. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero, al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas. Las cargas iguales se repelen, mientras que las distintas se atraen. Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un campo clásico de fuerza (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones virtuales. Igual que las interacciones gravitatorias, el hecho de que la interacción electromagnética sea de largo alcance significa que tiene una teoría clásica bien definida 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*. El fotón es la partícula mediadora.

La interacción nuclear fuerte

La más potente de todas las fuerzas fundamentales. Es unas 10² veces mayor que la interacción electromagnética. Aparece sólo en los hadrones y es la responsable de la fuerza entre los nucleones que confiere a los núcleos de los átomos una gran estabilidad. Actúa a muy corta distancia dentro del núcleo (la región es R ≈ hc/Λ ≈ 10^-13 cm) y se puede interpretar como una interacción mediada por el intercambio de mesones virtuales, en este caso de 8 gluones. Las interacciones fuertes son descritas por una teoría gauge llamada cromodinámica cuántica.

El efecto de esta fuerza es contrario al de las otras interacciones, ya que crece con la distancia. Actúa como un muelle; cuanto más lo estiramos más resistencia opone. No deja que los quarks que forman los protones y neutrones (los nucleones) se puedan separar. Es lo que se conoce como el confinamiento de los quarks sometidos a moverse en la región de 10^-13 cm.

Con la descripción de las cuatro fuerzas fundamentales hemos esbozado sólo una parte del panorama, pero para completarlo nos queda exponer lo que son las partículas elementales y explicar las familias que las componen, lo que significan dentro del sistema del Modelo Estándar de la física y cómo forman la materia de los planteas, las estrellas, los árboles, los mares y océanos, y también la de todos los seres vivos.

Partículas elementales

Constituyentes fundamentales de toda la materia del universo. Hasta el descubrimiento del electrón por J. J. Thomson en 1897 se pensaba que los átomos eran los constituyentes fundamentales de la materia. Este hallazgo, junto con el de Rutherford del núcleo atómico y del protón en 1911, hizo evidente que los átomos no eran elementales, en el sentido de que tienen estructura interna. Es descubrimiento de Chadwick del neutrón en 1932 completó el modelo atómico basado en un núcleo atómico consistente en protones y neutrones rodeados de un número suficiente de electrones como para equilibrar la carga nuclear. Sin embargo, no explicaba la gran estabilidad del núcleo, que claramente no podía mantenerse unido por una interacción electromagnética, pues el neutrón no tiene carga eléctrica.

En 1935, Yukawa sugirió que la fuerza de intercambio que lo mantenía junto estaba mediada por partículas de vida corta, llamados mesones, que saltaban de un protón a un neutrón y hacia atrás de nuevo. Este concepto dio lugar al descubrimiento de las interacciones fuertes y de las interacciones débiles, dando un total de cuatro interacciones fundamentales (como antes hemos descrito). También dio lugar al descubrimiento de unas 200 partículas “elementales” de vida corta, algunas de las cuales eran claramente más elementales que las otras. En la clasificación actual existen dos clases principales de partículas:

1. Leptones: electrón, muón, tau, neutrino electrónico, muónico y tau. Interaccionan electromagnéticamente y también con la fuerza nuclear débil. Estas partículas no tienen estructura interna aparente.
2. Hadrones: (bariones y mesones). Los bariones son los nucleones como el protón, neutrón, etc. Los mesones son los piones, kaones, etc. Interaccionan con la fuerza nuclear fuerte y tienen una estructura interna compleja.

La estructura hadrónica está basada ahora en el concepto de Murray Gell-Mann de quark, introducido en 1964. En este modelo, los hadrones se dividen en bariones (que se desintegran en protones) y mesones (que se desintegran en leptones y fotones). Los bariones a su vez están formados por tres quarks, y los mesones por dos (un quark y un antiquark). En la teoría quark, por tanto, las únicas partículas realmente elementales son los leptones y los quarks.

Al contrario que los electrones y protones, que poseen cargas exactamente iguales en valor absoluto, pero de signos opuestos, los quarks tienen cargas que son fracciones de la carga electrónica (+2/3 ó -1/3 de la carga electrónica).

La nomenclatura para describir los quarks existentes es la siguiente: up (u), down (d), charmed (c), strange (s), top (t) y bottom (b).

El protón, siendo un barión, está constituido por tres quarks: dos quarks up y un quark down (uud); y el neutrón por udd. Todos los quarks tienen su antiquark que se denota con una raya encima de la letra que corresponda a cada uno. Por ejemplo, de un quark up u, su antiquark .

Con el fin de evitar conflictos con el principio de exclusión de Pauli, se ha probado que es necesario añadir el concepto de carga de color a los seis sabores de quarks (el concepto “sabor” aquí no tiene nada que ver con el gusto). Por su complejidad para el no iniciado, dejaremos aquí el problema de los sabores y colores de los quarks que aparecen  en los tres colores primarios, rojo, verde y azul. El uso de la palabra “color” en este contexto es por analogía con los colores visuales y no significa que las partículas estés coloreadas. La teoría que gobierna estas combinaciones de sabores y colores está basada en la electrodinámica cuántica y se llama cromodinámica cuántica.

Las interacciones fuertes entre quarks se pueden entender por el intercambio de ocho partículas sin carga y sin masa en reposo, llamadas gluones (glue, pegamento en inglés) que mantienen juntos a los quarks impidiendo que se puedan separar, en realidad se mantienen en una región R ≈ hc/Λ ≈ 10^-13 cm, y la fuerza que se crea crece con la distancia; a más separación de los quarks, más aumenta la fuerza para impedirlo.

Aunque los gluones, como los fotones que realizan una función similar entre los leptones, no tienen carga eléctrica, sí que tienen una carga de color.

La teoría de quark completamente elaborada está ahora bien establecida por evidencias experimentales, pero como ni los quarks ni los gluones han sido identificados nunca en experimentos, la teoría no se puede decir que haya sido directamente verificada. Los quarks individuales pueden tener la curiosa propiedad de ser mucho más masivos que los hadrones que usualmente forman (debido a la enorme energía potencial que tendrían cuando se separan), y algunos teóricos creen que es, en consecuencia, imposible desde un punto de vista fundamental que existan aislados. Sin embargo, algunos experimentos han anunciado resultados consistentes en la presencia de cargas fraccionarias, que tendrían los quarks no ligados.

Llegados a este punto, tenemos que volver sobre nuestros pasos hacia las moléculas y los átomos para comentar propiedades y principios que será necesario tener en cuenta para comprender de lo que estamos hablando. Sin embargo, ese será el objetivo de otro comentario.

emilio silvera

* Los leptones interaccionan por el electromagnetismo. Volver

* Los hadrones comprender a los neutrones y protones, que se desintegran en bariones o al contrario, y están formados por quarks. Volver

* Gauge: cualquiera de las teorías de campo para explicar las interacciones fundamentales. Requieren un grupo de simetría para los campos y los potenciales. En el caso de la electrodinámica, el grupo de abeliano. Volver

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