Las fuerzas fundamentales

Durante mucho tiempo se creyó que los protones y neutrones que conforman el núcleo de los átomos eran partículas “elementales”, pero experimentos en los aceleradores de partículas en los que colisionaban protones con otros protones o con electrones a velocidades cercanas a la de la luz indicaron que, en realidad, estaban formados por partículas aun más pequeñas. Estas partículas fueron llamadas quarks por el físico de Caltech, el norteamericano, Murray Gell–Mann, que ganó el Nobel en 1.969 por su trabajo sobre dichas partículas y el modelo del óctuple camino.

La palabra quark se supone que debe pronunciarse como quart (“cuarto”), pero con una k al final en vez de una t, pero normalmente se pronuncia de manera que rima con lark (“juerga”).

Existen un cierto número de quarks:

• Up (arriba),
• Down (abajo),
• Strange (extraño),
• Charmed (encantado),
• Bottom (fondo) y
• Top (cima).

Los quarks son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz visible y, por lo tanto, no paseen ningún color en el sentido normal de la palabra. Así, los colores que le asignan los físicos están referidos a cuestiones imaginativas para nombrar a las nuevas partículas a las que asignar colores entre el rojo, verde y azul.

Ahora sabemos que un protón y un neutrón están constituidos por quarks, uno de cada color. Un protón contiene dos quarks up y un quark down; un neutrón contiene dos down y uno up. Se pueden crear partículas constituidas por los otros quarks (strange, charmed, bottom y top), pero todas ellas poseen una masa mucho mayor y decaen muy rápidamente en protones y neutrones.

Actualmente sabemos que ni los átomos, ni los protones y neutrones, dentro de ellos, son indivisibles. La cuestión que se nos plantea es: ¿cuáles son las verdaderas partículas elementales, los ladrillos básicos con los que están hechas todas las cosas, desde una gota de rocío, a una rosa, pasando por nosotros mismos o una inmensa galaxia? Ahora, se va creyendo de manera firme en el hecho de que los Quarks, quizá tampoco sean partículas elementales.

Pero eso sí, tengo muy clara una cuestión: Después de lo anteriormente explicado está claro que tenemos que dominar lo muy pequeño para poder dominar lo muy grande. O, dicho de otra manera, tendremos que comprender y saber sobre lo muy pequeño para saber y comprender lo muy grande, ya que, como tantas veces he dicho aquí, todo lo grande está hecho de partículas infinitesimales. Es decir, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas. La representación del átomo en la imagen de abajo están formados por infinitesimales partículas del mundo cuántico. En el núcleo están los protones y neutrones que, a su vez, están hechos de Quarks y que, rodeados de electrones consiguen el equilibrio entre las cargas positivas de los protones y las negativas de los electrones.

El dominio (relativo) del universo atómico, nos ha reportado grandes beneficios. Sin embargo, nos queda aún mucho camino por recorrer. Tenemos que saber y sabremos pero, para que eso sea cierto, tendrá que pasar mucho, mucho tiempo. Ayer mismo se dejaba aquí un trabajo en el se explicaba que el Modelo Estándar de la física (con sus defectos) detallaba como funcionan las partículas elementales que conforman la materia: quarks, hadrones, leptones, etc. También nos explica las fuerzas que interaccionan con estas partículas: la nuclear fuerte y la débil, el electromagnetismo y la gravedad. Veamos alguna característica y para qué sirven dichas fuerzas, así como su alcance y potencia.

Fuerza nuclear fuerte

Su alcance en metros: < 3 × 10^-15, se dice que la propiedad de los quarks conocida como libertad asintótica hace que la interacción entre ellos sea débil cuanto más cerca están los unos de los otros, están confinados con los gluones en un radio o región de: r » hc/L » 10^-13  cm.

Al contrario de las otras fuerzas, esta crece con la distancia. Tiene una fuerza relativa de 10⁴¹. Es la responsable de mantener unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico.

La partícula portadora de la fuerza es el gluón (glue en inglés, es pegamento) que en número de ocho, actúa como un espeso pegamento en forma de muelle que, cuanto más se estira más fuerza genera.

La interacción nuclear fuerte es la mayor, la de más potencia de las cuatro fuerzas fundamentales, es 10² veces mayor que la fuerza electromagnética, aparece sólo entre los hadrones (protones, neutrones, etc). Como dijimos al principio, actúa a tan corta distancia como 10^-15 metros, mediado por los mesones virtuales que llamamos gluones y mantienen confinados a los Quarks.

Fuerza nuclear débil

Su alcance es de < 10^-15 metros, su fuerza relativa de 10²⁸, intervienen en la radiación radiactiva, ocurre entre leptones (electrones, muones, tau y los correspondientes neutrinos asociados) y en la desintegración de los hadrones, la desintegración beta de las partículas y núcleos. Está mediada por el intercambio de partículas virtuales, llamadas bosones vectoriales intermediarios: en este caso, las partículas W⁺, W^– y Z⁰. Esta interacción se describe por la teoría electrodébil que la unifica con las interacciones electromagnéticas.

Las interacciones electromagnéticas

El electromagnetismo, como la Gravedad, tiene un alcance infinito, su fuerza relativa es de 10³⁹, es la responsable de las fuerzas que controlan la estructura atómica, reacciones químicas y todos los fenómenos electromagnéticos. Unen los átomos para formar moléculas, propaga la luz, las ondas de radio y otras formas de energías. Puede explicar las fuerzas entre las partículas cargadas, pero al contrario de las interacciones gravitacionales, puede ser tanto atractiva como repulsiva.

Algunas partículas neutras se desintegran por interacciones electromagnéticas. La interacción se puede interpretar tanto como un campo 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 tienen una teoría clásica bien definida dada por las ecuaciones de Maxwell. La teoría cuántica de las interacciones electromagnéticas, se describen con la electrodinámica cuántica, que es una forma sencilla de teoría gauge.

La interacción gravitacional

La interacción gravitacional, conocida como la fuerza de gravedad, es unas 10⁴⁰ veces más débil que la interacción electromagnética; es la más débil de todas las fuerzas de la naturaleza. Su alcance, como el de la fuerza electromagnética, es infinito, y su fuerza relativa es de 1. Su función es actuar entre los cuerpos masivos sobre los que ejerce una fuerza atractiva en función de sus masas y de las distancias que los separa, mantienen unidos los planetas alrededor del Sol, las estrellas en las galaxias y nuestros pies pegados a la superficie de la Tierra.

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 los cuerpos interaccionantes (Ley de Newton).

El hipotético cuanto de gravitación, el bosón denominado gravitón, es también un concepto útil en algunos contextos. En la escala atómica, la fuerza gravitacional es despreciablemente débil, pero a escala cosmológica, donde las masas son enormes, es inmensamente importante para mantener el equilibrio entre los componentes del universo.

Estas dos galaxias, como pasará un día del futuro con Andréomeda y La Vía Láctea, están siendo unidas por la Fuerza de la Gravedad que, a niveles cosmológicos, es una fuerza terrorífica que puede comprimir estrellas hasta extremos de…singularidades en los agujeros negros.

Sin la fuerza de gravedad, el universo sería un completo caos, todos los planetas, estrellas y demás objetos cosmológicos estarían vagando sin rumbo por el vacío estelar y las colisiones serían lo cotidiano. Debido a que las interacciones gravitacionales son de largo alcance, hay una teoría macroscópica bien definida, que es la relatividad general de Einstein.

Por el momento no hay teoría cuántica de la gravedad que sea satisfactoria. Es posible que la teoría de supercuerdas, en su versión más avanzada conocida como teoría M de Edward Witten, nos pueda dar una teoría cuántica de la gravedad que sea consistente y nos explique cuestiones que ahora no tienen respuestas.

Estas cuatro fuerzas fundamentales que acabo de describir para todos ustedes son las fuerzas que rigen en nuestro universo. Son las fuerzas que interaccionan con toda la materia y el comportamiento de ésta viene dado por dichas interacciones. El universo es como es porque las fuerzas son las que son; si alguna de estas fuerzas fueran mínimamente distintas, si la carga o la masa del electrón variaran sólo una millonésima, el universo sería otro muy distinto y, seguramente, nosotros no estaríamos aquí para contarlo.

Todo el conjunto está sometido a un equilibrio que, entre otras cuestiones, hizo posible la existencia de vida inteligente en nuestro universo, al menos, que sepamos, en un planeta insignificante de un sistema solar insignificante situado en la periferia de una de los cientos de miles de millones de galaxias que pueblan el universo. Estadísticamente hablando, sería casi imposible que no existieran otros muchos planetas, en otros sistemas solares, ocupados por seres inteligentes similares o distintos a nosotros. El problema está en que podamos coincidir en el tiempo y en que podamos, de alguna manera, vencer las distancias que nos separan.

emilio silvera