En física, a menudo nos encontramos describiendo el movimiento y las propiedades de la materia, sin explicar las razones físicas fundamentales por las que el universo se comporta así. Por ejemplo: que el movimiento orbital de los satélites se rige por la gravedad; que los átomos y las moléculas que componen la materia no se deshacen sin más; o que las estrellas producen energía mediante la fusión. Pero, ¿qué ocurre exactamente cuando hablamos de gravedad?, ¿por qué existen los átomos con la estructura que conocemos? y ¿cuál es la razón por la que la fusión nuclear es posible?
Fuerzas fundamentales en la naturaleza
Todos los ejemplos anteriores son procesos que pueden explicarse con interacciones fundamentales o fuerzas fundamentales.
Las fuerzas fundamentales son interacciones físicas conocidas en nuestro universo que no pueden descomponerse en procesos más básicos. Con la investigación actual, estas fuerzas describen los procesos físicos de la naturaleza, incluyendo tanto la estructura como el movimiento de todos los objetos, al nivel más reducido.
Analicemos las definiciones de cada una de las cuatro fuerzas fundamentales y veamos algunos ejemplos, para comprender la importancia de estas interacciones.
Aunque los físicos están buscando más interacciones que puedan describir el universo con una teoría completa y única, actualmente solo conocemos cuatro interacciones fundamentales.
Las fuerzas fundamentales de nuestro universo son:
Para explicar matemáticamente las interacciones fundamentales, a menudo se modelan como campos vectoriales, que permiten visualizar la magnitud y la dirección de una fuerza determinada en diferentes puntos del espacio. Podemos utilizar estos modelos para ayudarnos a construir una comprensión física de las diferentes fuerzas y por qué los campos de fuerzas gobiernan todo tipo de interacciones en nuestro universo.
Un aspecto importante para entender las interacciones fundamentales es que tanto la distancia como las escalas de tiempo cambian las fuerzas que parecen dominar en un proceso físico dado; analizaremos por qué y veremos algunos casos importantes para cada una.
La interacción gravitatoria
La interacción gravitatoria, descubierta por primera vez por Isaac Newton, es la interacción con la que probablemente estés más familiarizado. Se trata de la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales.
La fuerza gravitacional, o gravedad, es la atracción universal de todos los objetos con masa entre sí.
Independientemente de que un objeto tenga el tamaño de una partícula o de una galaxia, experimentará la fuerza de la gravedad. Veamos un par de casos fáciles de comprenderlo:
- Tu cuerpo tiene masa, por lo tanto es atraído gravitatoriamente hacia el centro de la Tierra; esto lo mantiene estable en la superficie terrestre.
- La forma esférica de las estrellas y los planetas se debe a que la gravedad atrae la masa hacia el centro, y nuestro sistema solar está unido gravitatoriamente.
Campos vectoriales gravitatorios
Podemos utilizar los gráficos de un campo vectorial gravitatorio para representar esta fuerza invisible. Veamos dos representaciones diferentes en la figura siguiente:
En el gráfico bidimensional de la izquierda, imagina que el punto central es un objeto masivo como el Sol. Estas flechas vectoriales representan la fuerza gravitatoria ejercida desde el campo del Sol sobre alguna masa mucho más pequeña, en muchos puntos diferentes del espacio. La atracción de las masas significa que el vector de fuerza en todos los puntos se dirigirá hacia el centro de la masa.
El gráfico tridimensional demuestra el mismo concepto. En la parte inferior de la curva bien formada se encuentra alguna masa grande —como una estrella o un planeta—; los objetos pequeños con la menor distancia sentirán la fuerza gravitatoria más fuerte.
Dominio gravitatorio
Un malentendido común es que la fuerza gravitatoria es la interacción más fuerte en nuestro universo; pues, en realidad, es la fuerza fundamental más débil. Los campos y las fuerzas gravitatorias dependen de la masa y la distancia. Esto significa que una mayor masa da como resultado un campo de gravedad más fuerte, pero una mayor distancia del campo da como resultado una fuerza ejercida mucho más débil.
Veamos el caso de las partículas con masas muy pequeñas, a escala atómica:
Pensemos en un electrón, que tiene una masa en reposo de \(9.11 \cdot 10^{\text{-}31}\,\,\mathrm{kg}\).
Debido a la dependencia de la masa, las interacciones gravitatorias a escala atómica y molecular son casi insignificantes, comparadas con las que se dan a escala más masiva, como planetas, estrellas o galaxias enteras. Las demás interacciones fundamentales son mucho más fuertes que la gravedad, pero podrían no ser perceptibles hasta que las estudiemos a escala atómica.
La fuerza electromagnética
La segunda interacción más fuerte es la fuerza electromagnética. Es igual de importante en la estructura y el movimiento de nuestras vidas y seres macroscópicos.
La fuerza electromagnética describe las interacciones entre partículas con cargas, como los protones y los electrones. Las fuerzas electromagnéticas pueden ser atractivas o repulsivas: las cargas opuestas se atraen y las cargas similares se repelen.
La fuerza electromagnética es más fuerte que la interacción gravitatoria por un factor de \( 10^{36}\), ¡un número incomprensiblemente grande!1
Las interacciones electromagnéticas también son observables en nuestra vida cotidiana a diferentes escalas:
- A escala macroscópica, podemos pensar en la electricidad estática que se produce al peinarse, al girar la ropa en la secadora o en el imán del frigorífico.
- Escuchamos música digital con altavoces que utilizan bobinas magnéticas para convertir la energía eléctrica en energía mecánica: el sonido.
- La radiación electromagnética, o luz, también es un resultado de esta interacción.
¿Te parece que las fuerzas eléctricas y magnéticas no están relacionadas? En una comprensión casual que se puede tener y, durante una larga parte de la historia, se creyó que eran fenómenos separados. Pero, en realidad, tanto la electricidad como el magnetismo están relacionados con las cargas eléctricas de los átomos.
- Los átomos están formados por protones con carga positiva, neutrones con carga neutra y electrones con carga negativa.
- Dado que todos los átomos y la materia están compuestos por partículas cargadas eléctricamente, los átomos ejercen fuerzas eléctricas entre sí; esto les da la posibilidad de convertirse en iones cargados, que ganan o pierden carga.
¿Y las fuerzas magnéticas? Los campos magnéticos son el resultado de cargas en movimiento. Las fuerzas eléctricas provienen de las cargas que están quietas, y las fuerzas magnéticas provienen de las cargas que se mueven dentro de un material, como un imán o un cable.
Fundamentalmente, la electricidad y el magnetismo consisten en la misma interacción.
Dominio electromagnético
Aunque la fuerza electromagnética es más fuerte que la gravedad, por un factor increíblemente grande, la gravedad parece seguir dominando en la mayoría de las escalas espaciales. ¿Por qué?: las cargas electromagnéticas pueden anularse entre sí, pero la gravedad no: no se conoce ninguna versión de la gravedad que sea repulsiva. Como los átomos tienen carga neutra la mayoría de las veces, la gravedad sigue siendo la fuerza dominante en las escalas estelar, galáctica y universal.
La fuerza nuclear débil
La fuerza nuclear débil es la segunda interacción fundamental más débil. Gobierna ciertos procesos atómicos importantes.
La fuerza nuclear débil impulsa las interacciones nucleares clave entre las partículas a escala subatómica; principalmente, electrones, protones y neutrones.
La interacción nuclear débil es la razón por la que los átomos radiactivos experimentan decaimiento radiactivo con el tiempo. La fuerza débil es, a veces, más fuerte que la fuerza gravitatoria; pero, solo actúa en distancias muy pequeñas: una escala subatómica, ¡ni siquiera el diámetro de un átomo entero!
Los átomos radiactivos son átomos inestables que emiten partículas, en un proceso llamado desintegración beta, al intentar alcanzar un estado más estable. Si hay demasiados neutrones en el núcleo de un átomo, un neutrón puede decaer en un protón, liberando un electrón o positrón de alta velocidad en el proceso. Estas partículas de alta velocidad emitidas son lo que conocemos como radiación. La interacción nuclear débil es la fuerza que impulsa esta desintegración.
La fuerza débil es también la que impulsa la fusión nuclear: el proceso por el que pasan nuestro sol y otras estrellas al quemar gas y crear elementos cada vez más pesados en sus núcleos. En el núcleo de una estrella, los átomos de hidrógeno se fusionan y generan átomos de helio. Esto libera partículas muy pequeñas y energía, en forma de luz y calor.
La fuerza nuclear fuerte
La interacción fuerte o fuerza nuclear fuerte es la última y más fuerte fuerza fundamental. Al igual que la interacción débil, la interacción fuerte tiene un alcance limitado para actuar.
La fuerza nuclear fuerte es la fuerza de atracción que mantiene unidos los núcleos atómicos. Los propios protones y neutrones están formados por partículas, aún más pequeñas, que se mantienen unidas por la fuerza nuclear fuerte.
Para hacernos una idea de la intensidad de esta fuerza, pensemos en la interacción electromagnética: las cargas similares se repelen y, naturalmente, no quieren compartir un espacio reducido. Los protones están cargados positivamente y se repelen entre sí. Sin embargo, el núcleo de un átomo está formado por protones que comparten un pequeño espacio con los neutrones: la fuerza fuerte domina completamente a la fuerza electromagnética para mantener el núcleo unido.
La interacción nuclear fuerte también contribuye a procesos nucleares como la fusión. Cuando dos núcleos están lo suficientemente cerca, como en el núcleo de una estrella, la fuerza fuerte domina y atrae a los dos núcleos. Los dos núcleos se fusionan y crean un nuevo elemento más pesado.
Ejemplos de fuerzas fundamentales
Las interacciones fundamentales ocurren a nuestro alrededor, todo el tiempo. Veamos algunos ejemplos más de fuerzas fundamentales.
Las auroras —como la aurora boreal— son el resultado de los electrones cargados que atraviesan en espiral el campo magnético de la Tierra. Cuando estos electrones de alta velocidad chocan con las moléculas de gas de nuestra atmósfera, se desprende energía en forma de luz.
Las fuerzas electromagnéticas impulsan muchos procesos y fuerzas más allá de los ejemplos más obvios, como los electrodomésticos y la electricidad estática. La fuerza electromagnética no solo ayuda a mantener unidos los átomos, sino que también impide que los objetos sólidos se atraviesen entre sí.
Las fuerzas normales y de fricción son, en realidad, interacciones electromagnéticas:
Cuando te sientas en la silla de tu escritorio, los electrones del material de la silla repelen los electrones de tu cuerpo y de tu ropa.
La silla y el cuerpo ejercen fuerzas de igual magnitud, pero dirección opuesta. Debido a esta naturaleza repulsiva entre las partículas cargadas, eres capaz de descansar sobre la silla, en lugar de caer a través de ella o ser empujado por su fuerza.
Como es menos común, las interacciones nucleares débiles pueden ser más difíciles de identificar, al principio. Una aplicación importante de la fuerza nuclear débil es el uso de la datación por carbono para estimar la edad de muchos objetos:
Todo lo que vive en nuestro planeta absorbe cierta cantidad de carbono-14, una forma radiactiva de carbono con dos neutrones adicionales. Con el paso del tiempo, el carbono-14 que queda experimentará una desintegración beta, debido a la fuerza nuclear débil.
Por esto, podemos utilizar la datación por carbono para estimar la edad de materiales y restos como los esqueletos: conocemos el tiempo que tarda el carbono-14 en perder la mitad de su cantidad original, y los especímenes más antiguos tendrán menos carbono-14 restante que las muestras más recientes.
A estas alturas, la importancia de las cuatro fuerzas fundamentales debería estar bastante clara: es seguro decir que un universo sin las fuerzas fundamentales que rigen su composición y movimiento tendría un aspecto muy diferente, si es que pudiera existir.
Fuerzas fundamentales - Puntos clave
- Las cuatro fuerzas fundamentales del universo son importantes porque describen los procesos físicos que rigen el movimiento y la composición de todos los objetos.
La gravedad es la fuerza fundamental más débil, pero provoca la atracción de todas las masas a todas las distancias en el universo.
La fuerza electromagnética es tanto atractiva como repulsiva y explica las interacciones entre las partículas cargadas, como los electrones y los protones.
La fuerza nuclear débil impulsa importantes interacciones atómicas, como la desintegración radiactiva.
La fuerza nuclear fuerte es la fuerza fundamental más fuerte y es la interacción atractiva que une los núcleos atómicos, superando la repulsión de carga de los protones.
Las escalas de distancia a las que estudiamos un determinado proceso determinan qué fuerza fundamental parece dominar.
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