Las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza

octubre 1, 2019

Desde caminar por la calle, lanzar un cohete al espacio, pegar un imán en su refrigerador, las fuerzas físicas actúan a nuestro alrededor. Pero todas las fuerzas que experimentamos todos los días (y muchas que no nos damos cuenta de que experimentamos todos los días) pueden reducirse a solo cuatro fuerzas fundamentales:

  1. Gravedad.
  2. La fuerza débil.
  3. Electromagnetismo.
  4. La fuerza fuerte.

Estas se llaman las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, y gobiernan todo lo que sucede en el universo.

Gravedad

Gravedad es la atracción entre dos objetos que tienen masa o energía, ya sea que se vea al dejar caer una roca desde un puente, un planeta que orbita una estrella o la luna que causa las mareas oceánicas. La gravedad es probablemente la más intuitiva y familiar de las fuerzas fundamentales, pero también ha sido una de las más difíciles de explicar.

Isaac Newton Fue el primero en proponer la idea de la gravedad, supuestamente inspirada en una manzana que cae de un árbol. Describió la gravedad como una atracción literal entre dos objetos. Siglos después, Albert Einstein sugirió, a través de su teoría de la relatividad general, esa gravedad no es una atracción o una fuerza. En cambio, es una consecuencia de los objetos que doblan el espacio-tiempo. Un objeto grande funciona en el espacio-tiempo un poco como la forma en que una bola grande colocada en el medio de una hoja afecta ese material, deformándolo y haciendo que otros objetos más pequeños de la hoja caigan hacia el medio.

Aunque la gravedad contiene planetas, estrellas, sistemas solares e incluso galaxias en conjunto, resulta ser la más débil de las fuerzas fundamentales, especialmente a escala molecular y atómica. Piénselo de esta manera: ¿Qué tan difícil es levantar una pelota del suelo? ¿O para levantar el pie? O para saltar? Todas esas acciones están contrarrestando la gravedad de toda la Tierra. Y a nivel molecular y atómico, la gravedad casi no tiene efecto en relación con las otras fuerzas fundamentales.

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La fuerza débil

los fuerza débil, también llamada interacción nuclear débil, es responsable de la descomposición de partículas. Este es el cambio literal de un tipo de partícula subatómica en otro. Entonces, por ejemplo, un neutrino que se desvía cerca de un neutrón puede convertir el neutrón en un protón mientras que el neutrino se convierte en un electrón.

Los físicos describen esta interacción a través del intercambio de partículas portadoras de fuerza llamadas bosones. Los tipos específicos de bosones son responsables de la fuerza débil, la fuerza electromagnética y la fuerza fuerte. En la fuerza débil, los bosones son partículas cargadas llamadas bosones W y Z. Cuando las partículas subatómicas como los protones, los neutrones y los electrones se encuentran dentro de 10 ^ -18 metros, o 0.1% del diámetro de un protón, el uno del otro, pueden intercambiar estos bosones. Como resultado, las partículas subatómicas se descomponen en nuevas partículas, de acuerdo con Sitio web de HyperPhysics de la Universidad Estatal de Georgia.

La fuerza débil es crítica para las reacciones de fusión nuclear que alimentan al sol y producen la energía necesaria para la mayoría de las formas de vida aquí en la Tierra. También es la razón por la cual los arqueólogos pueden usar el carbono 14 para fechar huesos, madera y otros artefactos antiguos. El carbono 14 tiene seis protones y ocho neutrones; Uno de esos neutrones se descompone en un protón para formar nitrógeno-14, que tiene siete protones y siete neutrones. Esta descomposición ocurre a un ritmo predecible, lo que permite a los científicos determinar la antigüedad de dichos artefactos.

La fuerza débil es crítica para las reacciones de fusión nuclear que alimentan al sol y producen la energía necesaria para la mayoría de las formas de vida aquí en la Tierra. Aquí hay un primer plano de la llamarada solar de la clase M7.6 que estalló desde el sol el 23 de julio de 2016, según lo visto por el Observatorio de Dinámica Solar de la NASA.

(Crédito de la imagen: NASA)

Fuerza electromagnetica

La fuerza electromagnética, también llamada fuerza de Lorentz, actúa entre partículas cargadas, como electrones cargados negativamente y protones cargados positivamente. Los cargos opuestos se atraen entre sí, mientras que los cargos similares se repelen. Cuanto mayor es la carga, mayor es la fuerza. Y al igual que la gravedad, esta fuerza se puede sentir desde una distancia infinita (aunque la fuerza sería muy, muy pequeña a esa distancia).

Como su nombre lo indica, la fuerza electromagnética consta de dos partes: la fuerza eléctrica y la fuerza magnética. Al principio, los físicos describieron estas fuerzas como separadas entre sí, pero los investigadores luego se dieron cuenta de que las dos son componentes de la misma fuerza.

El componente eléctrico actúa entre las partículas cargadas, ya sean móviles o estacionarias, creando un campo por el cual las cargas pueden influirse entre sí. Pero una vez que se ponen en movimiento, esas partículas cargadas comienzan a mostrar el segundo componente, la fuerza magnética. Las partículas crean un campo magnético a su alrededor a medida que se mueven. Entonces, cuando los electrones se acercan a través de un cable para cargar su computadora o teléfono o encender su televisor, por ejemplo, el cable se vuelve magnético.

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Las fuerzas electromagnéticas se transfieren entre partículas cargadas a través del intercambio de bosones sin masa y portadores de fuerza llamados fotones, que también son los componentes de partículas de la luz. Sin embargo, los fotones portadores de fuerza que se intercambian entre partículas cargadas son una manifestación diferente de los fotones. Son virtuales e indetectables, aunque técnicamente son las mismas partículas que la versión real y detectable, según el Universidad de Tennessee, Knoxville.

La fuerza electromagnética es responsable de algunos de los fenómenos más comúnmente experimentados: fricción, elasticidad, la fuerza normal y la fuerza que mantiene unidos los sólidos en una forma dada. Incluso es responsable del arrastre que experimentan las aves, los aviones e incluso Superman mientras vuelan. Estas acciones pueden ocurrir debido a partículas cargadas (o neutralizadas) que interactúan entre sí. La fuerza normal que mantiene un libro encima de una mesa (en lugar de que la gravedad empuje el libro hacia el suelo), por ejemplo, es una consecuencia de los electrones en los átomos de la mesa que repelen a los electrones en los átomos del libro.

La fuerza normal es lo que mantiene estos libros sobre la mesa.

(Crédito de la imagen: NASA / Shutterstock)

La fuerza nuclear fuerte

los fuerza nuclear fuerte, también llamada interacción nuclear fuerte, es la más fuerte de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Son 6 mil billones de billones de billones (¡eso es 39 ceros después de 6!) Veces más fuertes que la fuerza de la gravedad, según el sitio web HyperPhysics. Y eso es porque une las partículas fundamentales de importar juntos para formar partículas más grandes. Mantiene juntos los quarks que forman protones y neutrones, y parte de la fuerza fuerte también mantiene unidos los protones y neutrones del núcleo de un átomo.

Al igual que la fuerza débil, la fuerza fuerte opera solo cuando las partículas subatómicas están extremadamente cerca una de la otra. Deben estar en algún lugar dentro de 10 ^ -15 metros el uno del otro, o aproximadamente dentro del diámetro de un protón, de acuerdo con el sitio web HyperPhysics.

Sin embargo, la fuerza fuerte es extraña, porque a diferencia de cualquiera de las otras fuerzas fundamentales, se debilita a medida que las partículas subatómicas se acercan. De hecho, alcanza la máxima resistencia cuando las partículas están más alejadas entre sí, de acuerdo con Fermilab. Una vez dentro del rango, los bosones cargados sin masa llamados gluones transmiten la fuerza fuerte entre los quarks y los mantienen "pegados" juntos. Una pequeña fracción de la fuerza fuerte llamada fuerza fuerte residual actúa entre protones y neutrones. Los protones en el núcleo se repelen entre sí debido a su carga similar, pero la fuerza fuerte residual puede superar esta repulsión, por lo que las partículas permanecen unidas en un núcleo del átomo.

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Naturaleza unificadora

La pregunta pendiente de las cuatro fuerzas fundamentales es si en realidad son manifestaciones de una sola gran fuerza del universo. Si es así, cada uno de ellos debería poder fusionarse con los demás, y ya hay evidencia de que pueden hacerlo.

Los físicos Sheldon Glashow y Steven Weinberg de la Universidad de Harvard con Abdus Salam del Imperial College de Londres ganaron el Premio Nobel de Física en 1979 por unificar la fuerza electromagnética con la fuerza débil para formar el concepto de fuerza electrodébil. Los físicos que trabajan para encontrar la llamada gran teoría unificada apuntan a unir la fuerza de electrodébil con la fuerza fuerte para definir una fuerza electronuclear, que los modelos han predicho pero los investigadores aún no han observado. La pieza final del rompecabezas requeriría unificar la gravedad con la fuerza electronuclear para desarrollar el llamado teoría de todo, un marco teórico que podría explicar todo el universo.

Sin embargo, a los físicos les ha resultado bastante difícil fusionar el mundo microscópico con el macroscópico. A escalas grandes y especialmente astronómicas, la gravedad domina y se describe mejor por la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero a escalas moleculares, atómicas o subatómicas, mecánica cuántica describe mejor el mundo natural. Y hasta ahora, nadie ha encontrado una buena manera de fusionar esos dos mundos.

Muchos físicos pretenden unir las fuerzas fundamentales bajo una sola teoría unificada, un marco teórico que podría explicar todo el universo.

(Crédito de la imagen: Shutterstock)

Los físicos que estudian la gravedad cuántica tienen como objetivo describir la fuerza en términos del mundo cuántico, lo que podría ayudar con la fusión. Fundamental para ese enfoque sería el descubrimiento de los gravitones, el bosón teórico de la fuerza gravitacional que transporta la fuerza. La gravedad es la única fuerza fundamental que los físicos pueden describir actualmente sin usar partículas portadoras de fuerza. Pero debido a que las descripciones de todas las otras fuerzas fundamentales requieren partículas portadoras de fuerza, los científicos esperan que los gravitones existan a nivel subatómico; los investigadores aún no han encontrado estas partículas.

Para complicar aún más la historia es el reino invisible de materia oscura y energía oscura, que representan aproximadamente el 95% del universo. No está claro si la materia oscura y la energía consisten en una sola partícula o un conjunto completo de partículas que tienen sus propias fuerzas y bosones mensajeros.

La partícula mensajera principal de interés actual es el fotón oscuro teórico, que mediaría las interacciones entre el universo visible e invisible. Si existen fotones oscuros, serían la clave para detectar el mundo invisible de la materia oscura y podrían conducir al descubrimiento de un quinta fuerza fundamental. Hasta ahora, sin embargo, no hay evidencia de que fotones oscuros existen, y algunas investigaciones han ofrecido una fuerte evidencia de que estas partículas no existe.

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