Fuerzas fundamentales de la naturaleza

4 fuerzas fundamentales de la física

La gravedad es tan débil que el enlace de hidrógeno en una sola gota de agua, que es una de las formas más débiles de la fuerza electromagnética, puede superar la gravedad de todo un planeta. Imagen de dominio público, fuente: Christopher S. Baird.

En realidad, la gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales. Ordenadas del más fuerte al más débil, las fuerzas son: 1) la fuerza nuclear fuerte, 2) la fuerza electromagnética, 3) la fuerza nuclear débil y 4) la gravedad. Si tomamos dos protones y los mantenemos muy juntos, ejercerán varias fuerzas entre sí. Como ambos tienen masa, los dos protones ejercen una atracción gravitatoria entre sí. Como ambos tienen una carga eléctrica positiva, ambos ejercen una repulsión electromagnética el uno sobre el otro. Además, ambos tienen carga interna de “color” y, por tanto, ejercen atracción a través de la fuerza nuclear fuerte. Como la fuerza nuclear fuerte es la más fuerte a corta distancia, domina sobre las demás fuerzas y los dos protones se unen, formando un núcleo de helio (normalmente también se necesita un neutrón para mantener estable el núcleo de helio). La gravedad es tan débil a escala atómica que los científicos pueden ignorarla sin incurrir en errores significativos en sus cálculos.

Fuerzas no fundamentales

Existen cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: la fuerza gravitacional, la fuerza fuerte, la fuerza débil y la fuerza electromagnética. Estas fuerzas evitan la deriva de la materia en el universo y ayudan a mantenerla unida.

Fuerza gravitacional: Esta fuerza es la más débil pero tiene un alcance infinito. Tiene una fuerza de 6 × 10-39 en comparación con la fuerza fuerte. Esta fuerza siempre es atractiva y actúa entre dos piezas de materia en la naturaleza. El efecto de esta fuerza gravitatoria depende de la masa de los dos cuerpos y de la distancia entre ellos.

La fuerza fuerte: Esta fuerza mantiene unido el núcleo de un átomo. Es la más fuerte de las fuerzas, pero tiene un alcance muy corto. Actúa en un rango de unos 10-15 m, que es el diámetro medio de un núcleo de tamaño medio. Esta fuerza es atractiva.

Fuerza débil: Esta fuerza es débil comparada con la fuerza fuerte, como su nombre indica, y tiene el rango más corto de 10-18m, que es el 0,1% del diámetro de un protón. Es responsable de la desintegración radiactiva, especialmente de la desintegración beta nuclear. Todas las partículas experimentan esta fuerza.

Cuatro fuerzas fundamentales

Una de las simplificaciones más notables de la física es que sólo cuatro fuerzas distintas explican todos los fenómenos conocidos. De hecho, casi todas las fuerzas que experimentamos directamente se deben a una sola fuerza básica, llamada fuerza electromagnética. (La fuerza gravitatoria es la única fuerza que experimentamos directamente que no es electromagnética). Esto es una tremenda simplificación de la miríada de fuerzas aparentemente diferentes que podemos enumerar, de las cuales sólo unas pocas fueron discutidas en la sección anterior. Como veremos, se cree que todas las fuerzas básicas actúan mediante el intercambio de partículas portadoras microscópicas, y las características de las fuerzas básicas están determinadas por los tipos de partículas intercambiadas. La acción a distancia, como la fuerza gravitatoria de la Tierra sobre la Luna, se explica por la existencia de un campo de fuerzas más que por el “contacto físico”.

Las cuatro fuerzas básicas son la fuerza gravitatoria, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Sus propiedades se resumen en la Tabla 1. Como las fuerzas nucleares débil y fuerte actúan en un rango extremadamente corto, del tamaño de un núcleo o menos, no las experimentamos directamente, aunque son cruciales para la propia estructura de la materia. Estas fuerzas determinan qué núcleos son estables y cuáles se desintegran, y son la base de la liberación de energía en ciertas reacciones nucleares. Las fuerzas nucleares determinan no sólo la estabilidad de los núcleos, sino también la abundancia relativa de los elementos en la naturaleza. Las propiedades del núcleo de un átomo determinan el número de electrones que tiene y, por tanto, determinan indirectamente la química del átomo. Se hablará más de todos estos temas en capítulos posteriores.

4 fuerzas fundamentales de la naturaleza

Puede que hayas visto algunos titulares esta semana sobre el descubrimiento de una quinta fuerza fundamental de la naturaleza. Tal vez incluso hayas leído un poco sobre ella, pero luego probablemente hayas dejado de leer, porque… física de partículas, cuantos, bosones, portadores de fuerza…

¿El electromagnetismo? Bueno, eso es simple, es electricidad y magnetismo mezclados. Sí, pero eso no explica realmente cómo funciona. La fuerza electromagnética explica cómo las cosas que están cargadas eléctricamente (positiva o negativamente) interactúan entre sí. Una de las grandes conclusiones es que una carga magnética puede crear una carga eléctrica, y viceversa. Estas interacciones son las responsables de la generación de energía eléctrica, que es algo muy importante. El electromagnetismo y la forma en que empuja y atrae los objetos es responsable de la energía en cosas como las baterías y los imanes, pero también incluye la luz, que no es más que ondas de radiación electromagnética.

Las otras dos son la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte, y aunque ambas son más fuertes que la gravedad, sólo actúan en los espacios diminutos entre los átomos, y en los espacios aún más pequeños donde la física cuántica empieza a hacer que todo sea realmente extraño.