Todas estas interacciones entre átomos y dentro de éstos se producen a distancia, es decir, las partículas no necesitan entrar en contacto entre sí para sentir la fuerza debida a la presencia de otra partícula o partículas. Las fuerzas fundamentales actúan entre partículas separadas en el espacio, mediando un vacío aparente entre ellas (pues algunos físicos fundamentales piensan que se trata sólo de un vacío aparente, no real). Este concepto se denomina "acción a distancia".
Hoy día, esta característica de "acción a distancia" que se observa en toda interacción física a nivel microscópico se suele justificar desde un planteamiento clásico o bien desde un planteamiento cuántico. El planteamiento clásico justifica estas interacciones entre partículas introduciendo el concepto de "campo"; por ejemplo, se considera la atracción de la Tierra por el Sol en dos etapas: el Sol crea una cierta condición en el espacio que se denomina "campo gravitatorio" y este campo produce una fuerza sobre la Tierra; el "campo" es, pues, el agente intermedio; análogamente, la Tierra produce un campo gravitatorio que ejerce una fuerza sobre el Sol y si la Tierra repentinamente se moviera a una nueva posición también se modificaría el campo de la Tierra; pero este cambio no se propaga a través del espacio instantáneamente, sino que lo hace con la velocidad c= 3×108 metros/segundo, que es también la velocidad de la luz; para distancias cósmicas no descomunales es posible a veces despreciar el tiempo transcurrido en la propagación del campo, de manera que se ignore este agente intermedio y se consideren las fuerzas como si fuesen ejercidas por el Sol y la Tierra directamente sobre el otro instantáneamente; esto se hace porque durante los 8 minutos que se emplean para la propagación del campo gravitatorio desde la Tierra hasta el Sol, la Tierra se mueve sólo una pequeña fracción de su órbita total alrededor del Sol. Por su parte, el planteamiento cuántico justifica la interacción introduciendo el concepto de "partícula mediadora"; aquí se teoriza diciendo que las fuerzas hacen que las partículas intercambien una magnitud llamada "cantidad de movimiento", y según esto son las partículas mediadoras las que transportan dicha "cantidad de movimiento"; para cada una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, las partículas mediadoras serían: el GRAVITÓN, partícula mediadora correspondiente a la fuerza gravitatoria, que hasta la fecha es eminentemente hipotética y no se ha podido detectar y sobre cuya existencia existen bastantes dudas, pues parece que de existir, sería incompatible con varios puntos de la teoría general de la relatividad; en el caso de existir, se sabe que su spin tendría que ser 2, su masa nula y su alcance infinito. El FOTÓN es la partícula mediadora para la fuerza electromagnética, cuya existencia es conocida desde hace tiempo y de él se sabe que se trata de una partícula sin masa, cuyo spin es igual a la unidad y tiene un alcance infinito. El GLUÓN, partícula mediadora de la fuerza nuclear fuerte, que como en los dos casos anteriores es una partícula sin masa, de spin unidad, pero en este caso su alcance se reduce a los 10 -15 metros; los gluones son los responsables de mantener unidos los quarks. El BOSÓN DÉBIL, partícula mediadora para la fuerza nuclear débil, cuya masa es distinta de cero, su spin unidad y un alcance muy corto, del orden de los 10-18 metros.
La fuerza gravitatoria.
De las dos clases de fuerzas observables cotidianamente, las interacciones gravitacionales fueron las primeras en estudiarse con detalle. El peso de un cuerpo se debe a la acción de la atracción gravitacional terrestre sobre él. La atracción gravitacional del Sol mantiene a la Tierra en su órbita casi circular en torno al Sol. De igual modo, la fuerza gravitatoria ejercida por la Tierra sobre la Luna mantiene a ésta en un órbita casi circular alrededor de la Tierra. Las fuerzas gravitatorias ejercidas por la Luna y el Sol sobre la Tierra son responsables de las mareas.
La fuerza gravitatoria es la más débil de las cuatro interacciones básicas que tienen lugar entre las partículas elementales. De hecho, es despreciablemente pequeña en las interacciones de las partículas microscópicas. Es difícil de observar entre objetos pequeños de la vida diaria, pero es evidente en cuerpos que pesan miles de kilogramos. La gravedad es de capital importancia cuando consideramos las interacciones entre cuerpos muy grandes, tales como planetas, satélites y estrellas. La fuerza gravitatoria juega un papel importante en la evolución de las estrellas y en el comportamiento de las galaxias. En cierto sentido la gravedad es la que mantiene unido todo el universo material.
La fuerza electromagnética.
La otra clase de fuerza observable cotidiananamente es la interacción electromagnética, la cual incluye las fuerzas eléctricas y magnéticas. La fuerza eléctrica varía inversamente con el cuadrado de la distancia que separa las cargas y es proporcional al producto de las cargas. Es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si las cargas tienen signos opuestos.
Si pasamos un peine por el cabello, el peine atrae pedacitos de papel o de pelusa, esta interacción es resultado de una carga eléctrica en el peine. Todos los átomos contienen carga eléctrica positiva y negativa, así que átomos y moléculas pueden ejercer fuerzas eléctricas unos sobre otros. Las fuerzas de contacto, incluidas la fuerza normal o perpendicular a un cuerpo, la de fricción o rozamiento y la de resistencia de fluidos, son la combinación de todas las fuerzas eléctricas y magnéticas ejercidas sobre los átomos de un cuerpo por los átomos de su entorno. Las fuerzas magnéticas se dan en interacciones entre imanes o entre un imán y un trozo de hierro. Podría parecer que éstas constituyen una categoría aparte, pero en realidad son causadas por cargas eléctricas en movimiento. En un electroimán, una corriente eléctrica en una bobina de alambre causa interacciones magnéticas.
La intensidad de dos de las fuerzas básicas (gravitatoria y eléctrica) disminuye conforme aumenta la distancia que separa a los cuerpos materiales. Las fuerzas gravitatoria y eléctrica son de largo alcance, y su influencia se extiende de un lado del universo material al otro. Pero estas dos interacciones difieren enormemente en intensidad. La repulsión eléctrica entre dos protones a cierta distancia es 1 035 veces más fuerte que su atracción gravitacional. Las fuerzas gravitacionales no desempeñan un papel apreciable en la estructura atómica o molecular, pero en cuerpos de tamaño astronómico las cargas positivas y negativas suelen estar presentes en cantidades casi iguales, y las interacciones eléctricas resultantes casi se cancelan. Por ello, las interacciones gravitacionales son la influencia dominante en el movimiento de los planetas y en el interior de las estrellas.
La fuerza nuclear fuerte.
Antes de ver las características de esta fuerza nos tenemos que detener un momento para ver qué es un núcleo atómico. El núcleo atómico está constituido por dos tipos de partículas: los neutrones, sin carga, y los protones, de carga positiva. Además el núcleo contiene casi la totalidad de la masa del átomo y toda la carga positiva.
De acuerdo con estas características, algún tiempo atrás parecía un misterio cómo era posible que los núcleos atómicos fuesen estables si contenían cargas positivas que, de acuerdo con las leyes del electromagnetismo, al ser cargas del mismo signo, se debían repeler. La respuesta a este enigma es que en los núcleos está actuando, además de la repulsión electrostática entre las cargas, una fuerza mucho más intensa, a la que se denominó "fuerza nuclear fuerte".
En el caso de esta fuerza, al contrario de lo que sucede con las fuerzas electromagnética y gravitatoria, aún no se conoce una ley que describa su comportamiento, pero sí se conocen una serie de características de dicha fuerza: Se trata de una interacción mucho más intensa que la interacción electromagnética, del orden de unas cien veces más intensa. Pero su alcance se restringe a una zona muy pequeña del espacio, de alrededor de 10-15 metros. Otra de sus características es que, para distancias del orden de los 10-15 metros, la fuerza nuclear se comporta como una fuerza atractiva, permitiendo de este modo que cargas del mismo signo (los protones) se mantengan unidos. Pero cuando la distancia es menor, la fuerza se torna de carácter repulsivo, lo cual impide el colapso del núcleo. También se sabe que un nucleón (es decir, un protón o un neutrón) va a interaccionar con un número reducido de otros nucleones, pudiendo ser la interacción protón-protón, neutrón-neutrón o protón-neutrón; por este motivo, el trabajo necesario para extraer un nucleón del núcleo es independiente del número de ellos. Por último, esta fuerza es la responsable de la aparición de muones en colisiones de alta energía.
NOTA:
El muón es una partícula elemental. Esto significa que no se descompone en otras partículas.
No existe de forma permanente en el universo material, pues su existencia es muy efímera (2'2 microsegundos), y actualmente sólo se encuentra en los rayos cósmicos y en los laboratorios.
El muón fue descubierto por el físico estadounidense Carl Anderson, en 1937. Este científico estaba estudiando la radiación cósmica, mediante campos electromagnéticos, cuando observó que unas partículas provenientes del espacio se desviaban en curvaturas mayores que las de los electrones, pero menores que las de los protones. Y esto sólo podía significar que sus masas eran intermedias entre las de los electrones y los protones.
Pero el muón se desintegra rápidamente en un electrón, un neutrino y un antineutrino. En el año 1960, se descubrió que el muón podía reemplazar, en algunos casos, al electrón de un átomo. Tanto el electrón, como el muón y el tauón son los elementos con menos masa de sus correspondientes familias (una familia para cada una de estas partículas). Por tal motivo, a estas tres partículas se las denomina "leptones" (en griego, "leptón" significa "ligero").
Fuerza nuclear débil.
Se trata de una fuerza mucho más débil y de más corto alcance que la fuerza nuclear fuerte. Su alcance es del orden de los 10-18 metros y su intensidad unas 10-9 veces menor que la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza es la responsable de ciertos tipos de radiactividad natural, como puede ser la radiación ß -, en la que un neutrón del núcleo se desintegra, dando lugar a un protón y a la emisión de una partícula ß-, que no es otra cosa que un electrón, y un antineutrino.
Tenemos que decir que hoy día existe una teoría que asegura que las fuerzas electromagnética y nuclear débil son diferentes perspectivas de una única fuerza llamada "electrodébil". Esta teoría afirma que cuando la energía es inferior a los 100 GeV, las fuerzas electromagnética y nuclear débil se comportan de modo muy diferente; pero cuando la energía es suficientemente alta esas diferencias desaparecen y las dos fuerzas se combinan en una sola interacción. No obstante, la unificación de estas dos fuerzas está vista por algunos físicos como algo artificioso, por lo que se siguen identificando como diferentes en muchas clasificaciones.
Teorías de unificación.
Tal vez a energías suficientemente altas, las fuerzas nuclear fuerte y la electrodébil podrían tener una convergencia similar a la que parecen tener las fuerzas electromagnética y la nuclear débil. Si esto fuese así, podrían unificarse para dar una interacción que abarcaría las interacciones electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. Esto es aún de carácter puramente especulativo, y las teorías que lo contemplan reciben el nombre de Teorías de Gran Unificación. Todas ellas se apoyan en consideraciones de simetría y son de una complejidad muy superior a lo que corresponde a cualquier curso introductorio de física universitaria. El gran sueño de los físicos es unificar las cuatro interacciones fundamentales, agregando la gravitación a las fuerzas que quedarían unificadas en las teorías de gran unificación. Esta hipotética visión, que aún se encuentra muy lejos de ser satisfactoria incluso desde el punto de vista puramente prospectivo, se denomina Teoría del Todo .
NOTA:
Actualmente, la mejor candidata a convertirse en una teoría del todo es la teoría de supercuerdas. Esta teoría física considera que los componentes fundamentales de la materia no son puntos cuasi matemáticos, sino entidades unidimensionales llamadas "cuerdas". Incorpora la teoría matemática de supersimetría, que sugiere que todos los tipos de partículas conocidos deben tener una "compañera supersimétrica" todavía no descubierta. Esto no significa que exista una compañera para cada partícula individual (por ejemplo, para cada electrón), sino más bien un tipo de partícula asociado a cada tipo conocido de partícula. Así, la partícula hipotética correspondiente al electrón sería el selectrón, y la correspondiente al fotón sería el fotino. Esta combinación de la teoría de cuerdas y la supersimetría es el origen del nombre de "supercuerdas".
Conclusiones.
Según hemos visto, nuestro universo material presenta ante el investigador humano una gradación de fuerzas que se extiende desde los niveles macroscópicos a los microscópicos, pudiéndose observar una reducción o simplificación en el número de las distintas fuerzas a medida que nos sumergimos en los dominios del mundo microscópico. Al final sólo aparecen 4 fuerzas fundamentales, y éstas a su vez son teóricamente susceptibles de mayor reducción. La inferencia nos encamina hacia una única fuerza primordial todavía ignota, cuyo descubrimiento pudiera llevarnos directamente hacia la causa física que generó el fenómeno inflacionario que hoy se conoce como Big Bang. Esta tendencia a la reducción, a la simplificación de base, tal vez nos permitiría entender mejor la acción del espíritu santo o fuerza activa de Dios en el comienzo de nuestro mundo cósmico: el poder activo que transfirió su acción a la supuesta micropartícula inicial de la que emergió nuestro universo y quizás generó la hipotética única fuerza primordial que impulsó ese nacimiento cósmico, la cual los teóricos ansían encontrar.
Por otra parte, el Génesis dice que la fuerza activa de Dios interaccionaba con las aguas del océano primordial causando al parecer un viento que aleteaba sobre la superficie acuosa. Esto significa que, de alguna forma desconocida por nosotros, una fuerza (el espíritu santo), procedente de un lugar exterior al cosmos material que nos alberga, era capaz de perturbar a las micropartículas de la primitiva atmósfera terrestre, en las inmediaciones de la superficie acuosa primordial, provocando un viento. Semejante interacción muestra que existen nexos dinámicos que abarcan regiones más extensas que nuestro universo material, llegando hasta el mundo espiritual y la morada de Dios.
Autor:
Jesús Castro
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