FUERZAS FUNDAMENTALES
Denominamos fuerzas fundamentales a aquellas fuerzas de la naturaleza que no se pueden explicar en función de otras más básicas y que rigen los procesos en el mundo subatómico. Las fuerzas o interacciones fundamentales descubiertas hasta ahora son cuatro: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. Las dos primeras se conocen desde hace mucho tiempo, sin embargo, las nucleares son de reciente descubrimiento, hace apenas un siglo. Puesto que son fuerzas que afectan a las partículas elementales, su estudio necesita de los aceleradores de alta energía, cuyo desarrollo viene marcando los hallazgos experimentales y los avances teóricos subsiguientes.
INTERACCIÓN GRAVITATORIA
Es la fuerza de atracción que una porción de materia ejerce sobre otra, y afecta a todos los cuerpos. Su intensidad es mínima entre las partículas que intervienen en los procesos atómicos, pero es esencial a gran escala porque su alcance es infinito, aunque decrece de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, según la ley de Newton. Su importancia reside en que siempre es atractiva y, por tanto, se acumula, aumentando con el número de partículas en juego. De este modo, la gravitación es la fuerza preponderante a escala macroscópica, a pesar de que se trata de la más débil de todas las interacciones. Es la responsable de la atracción universal entre los cuerpos, de la cohesión de los astros (planetas, estrellas, satélites...) y regula sus movimientos. Podemos afirmar que es la fuerza que mantiene el orden y el equilibrio en el universo y la que provoca, al mismo tiempo, la colisión entre galaxias vecinas y la creación de nuevas estrellas.
En 1915, Einstein, tras desarrollar su teoría especial de la relatividad, sugirió que la gravedad no era una fuerza como las otras, sino una consecuencia de la deformación del espacio-tiempo por la presencia de masa (o energía, que es lo mismo), formulando su teoría general de la relatividad. Entonces, cuerpos como la Tierra no se mueven en órbitas cerradas porque haya una fuerza llamada gravedad, sino que describen trayectorias parecidas a líneas rectas, pero en un espacio-tiempo que se encuentra deformado por la presencia del Sol.
Con todo, Einstein propone una teoría clásica, ya que no introduce los conceptos cuánticos que describen el mundo microscópico. Los intentos realizados por cuantizar la interacción gravitatoria implican la existencia de un bosón mediador de la interacción, el gravitón, de masa nula y número cuántico de espín 2, que no ha podido ser detectado aún. Dicha partícula virtual sería la intercambiada entre las partículas subatómicas (o fermiones) que se ven afectadas por la gravedad en un instante dado.
INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
La fuerza electromagnética afecta exclusivamente a los cuerpos con carga eléctrica y es la responsable de las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas, donde une a los electrones y los núcleos. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria y su alcance es también infinito. Sin embargo, no es acumulativa como la gravitación, pues, según el tipo de cargas presentes, las interacciones electromagnéticas son atractivas o repulsivas, de manera que la neutralidad eléctrica de la materia anula sus efectos a larga distancia.
A raíz del triunfo de la teoría general de la gravitación de Newton, Coulomb la adaptó para explicar las fuerzas de atracción y repulsión experimentadas por los objetos cargados eléctricamente, demostrando que ésta era directamente proporcional al producto de las cargas eléctricas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Mostró también que las cargas de igual signo se atraen y las de distinto signo se repelen, y que los cuerpos imanados también sufrían una fuerza inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
Experimentos posteriores realizados por el danés Oersted, el francés Ampère y el británico Faraday revelaron que los fenómenos eléctricos y magnéticos estaban relacionados. Su estudio fue sistematizado por el físico escocés J. C. Maxwell en su teoría electromagnética, en la que predijo que la transmisión de los campos eléctrico y magnético, perpendiculares entre sí, se realizaba ondulatoriamente a la velocidad de la luz.
En el orden macroscópico, la teoría de Maxwell constituye un modelo de economía al unificar el tratamiento de los fenómenos eléctricos y magnéticos en sólo cuatro famosas ecuaciones, mientras que en las dimensiones atómicas la teoría del electromagnetismo se denomina electrodinámica cuántica, cuyos fundamentos se deben a Bethe, Tomonaga, Schwinger y Feynman, principalmente, y que realiza una corrección cuántica de las ecuaciones de Maxwell.
INTERACCIONES NUCLEARES
En las emisiones radiactivas de tipo beta, ciertos átomos tienen un exceso de neutrones, algunos de los cuales se desintegran convirtiéndose en un protón, un electrón y un neutrino a través de un proceso regido por la interacción nuclear débil o de Fermi, que sólo se manifiesta a distancias de 10-17 ó 10-18 m, la fuerza de menor alcance. Recibe este nombre porque su intensidad es muy inferior que en las interacciones fuertes.
La emisión de neutrinos fue propuesta por primera vez en 1929 por Pauli. Postuló que, junto a los tres tipos de radiaciones conocidos, alfa, beta y gamma, debían emitirse otras partículas a las que llamó neutrinos y antineutrinos, sin carga eléctrica y cuya masa era muy pequeña o incluso nula, como en el caso del fotón. En la emisión beta, un neutrón se convierte en un protón, una situación no prevista ni en física clásica ni en física cuántica y que tanto desconcertó a los físicos de partículas, y se crean un electrón y un antineutrino.
Las predicciones de Pauli se confirmaron cuando fueron descubiertos los neutrinos por Reines y Cowan, en Los Álamos, en 1956. El neutrino es el mejor ejemplo de las interacciones débiles. Aunque tiene una sección eficaz extremadamente baja y como consecuencia de ello muy poca interacción con la materia, es muy importante en astrofísica, pues los procesos termonucleares de las estrellas implican una producción masiva de neutrinos. Gracias a esto se han podido estudiar, pues la escasa interacción se ve compensada por el gran número que se genera de ellos.
Para explicar la estabilidad de los núcleos, que contienen protones a una distancia increíblemente pequeña, Rutherford postuló la existencia de la interacción nuclear fuerte, una fuerza atractiva muy intensa para distancias del orden de los diámetros nucleares (10-15 m), capaz de vencer la repulsión electrostática entre los protones. Podemos afirmar que la fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, ya sean protones o neutrones.
Teniendo en cuenta el especial carácter de las fuerzas nucleares al compararlas con las dos interacciones clásicas, su formulación no es similar a las ecuaciones de Newton y de Coulomb. La descripción que actualmente se utiliza de la fuerza débil se realiza de manera unificada con la electromagnética en la denominada interacción electrodébil. Sus autores, Glashow, Salam y Weinberg, recibieron el Premio Nobel de Física en 1979 por su trabajo. La teoría actual de la interacción fuerte, debida principalmente a Yang y Mills, fue completada a mitad de los años 70 y se llama cromodinámica cuántica, desarrollada por analogía con la electrodinámica de Feynman y colaboradores.
CUESTIONARIO
1.- ¿Qué cienfiticos destacan en la lectura¿ ¿Porqué?
2.- ¿Qué fuerza crees la más importante? Justifique su respuesta.
3.- ¿Qué diferencia hay entre las fuerzas de interacción fuerte y debil?
4.- ¿Que puede comentar sobre la Teoría de la Relatividad?
5.- ¿Podría existir otra fuerza fundamental? Si así fuese qué caracteristicas y nombre Ud.le daría
(Presentar en el FIT, sólo escriba las preguntas y sus respuestas, no es necesariocopiar la lectura)
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