Introducción. Fuerzas fundamentales de la naturaleza

La mayoría de los fenómenos que ocurren en la naturaleza pueden ser explicados a través de cuatro interacciones que ocurren en la naturaleza. Fenómenos tales como el movimiento de los planetas, cometas y otros astros en torno al Sol, el movimiento de las cargas en un conductor que inducen a un campo magnético, las fuerzas de atracción que experimentan los electrones en torno al núcleo,  la utilización de la energía de los núcleos atómicos, entre muchos otros sucesos, ocurren gracias a la acción de cuatro fuerzas.

En la naturaleza, existe la interacción de cuatro fuerzas a saber: la fuerza gravitacional, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética y la interacción débil.

Así mismo, según Young y Freedman (2009) “las partículas se clasifican de acuerdo con sus interacciones”. por lo tanto existen para cada interacción, un tipo de partícula específica.

Entre las características de las interacciones de las fuerzas fundamentales en la naturaleza se encuentran:

·         Fuerza gravitacional: Todos los cuerpos son atraídos por una fuerza que es directamente proporcional a sus masas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. La fuerza gravitacional es la causante de que los cuerpos caigan y del movimiento  de los cuerpos celestes que se encuentran en el universo: planetas, satélites, estrellas, galaxias, cometas, entre otros.  Su partícula mediadora es el gravitón.  Posee un radio de acción infinito.

·         Interacción electromagnética: Es considerada la fuerza que actúa sobre las partículas con carga eléctrica. Toda carga en movimiento produce un campo magnético a su alrededor y es de naturaleza atractiva o repulsiva, dependiendo de las cargas. La partícula mediadora es el fotón. Al igual que la interacción gravitacional, posee un radio de acción infinito.



·         Interacción nuclear fuerte: Es la interacción más fuerte que existe y permite mantener los nucleones (protones y neutrones), en interacción. Se refiere a la interacción que mantiene unidos a los quarks para formar hadrones, (protones, neutrones y mesones), por lo tanto permite mantener el núcleo unidos. Esta fuerza es la responsable de la estabilidad en toda la materia (Román). La partícula mediadora en esta interacción es el gluón. “Son fuerzas de corto alcance, actúan sólo a distancias que tienen las dimensiones del núcleo atómico”. (Zubero, 2010).



·         Interacción nuclear débil: Este tipo de fuerza es responsable de la desintegración beta de los núcleos de los átomos. Esta interacción es de corto alcance, es decir, distancias menores que las dimensiones del núcleo.

“Es la interacción responsable de que un quark de un tipo se transforme en un quark de otro tipo como ocurre en la desintegración Beta de los núcleos”. (Zubero, 2010). La partícula mediadora son los bosones.



En el siguiente cuadro se muestra un resumen con las principales características de las cuatro interacciones presentes en la naturaleza.

FUERZAS FUNDAMENTALES
Interacción	Intensidad Relativa	Alcance	Partícula Mediadora
Fuerte	1	Corto	Gluón
Electromagnética	0.0073	Largo	Fotón
Débil	10-9	Muy Corto	W,Z
Gravitacional	10-38	Largo	Gravitón

Para mayor información, sobre las fuerzas fundamentales de la naturaleza puede accesar a la siguiente página

http://www-ma4.upc.edu/~nrr/docs/buran1.pdf

Además puede ingresar al siguiente video de fuerzas fundamentales

Fuerza Gravitacional

La interacción gravitatoria es la interacción consecuencia del campo gravitatorio, esto es, de la deformación del espacio por la existencia de materia

Su estudio comenzó con Newton, al proclamar su célebre ley de atracción universal, siendo en la actualidad desarrolladas ideas sobre la misma a partir de la relatividad general de Einstein 

Desde el punto de vista clásico, la interacción gravitatoria, es la fuerza atractiva que sufren dos objetos con masa. Esta fuerza es proporcional al producto de las masas de cada uno, e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que los separa.

La constante de proporcionalidad es la constante de gravitación universal, G: 

G = 6.67 × 10^-11N ·m²/ kg²

Esta fuerza esta presente en nuestra experiencia cotidiana ya que es la que nos mantiene unidos a la tierra. Como la masa del planeta es muchísimo más grande que la de cualquier objeto que podemos encontrar a nuestro alrededor y la distancia al centro de la tierra de cualquier objeto humano es esencialmente constante, la aceleración, g, que sufrimos por la interacción gravitatoria con la Tierra es siempre la misma, tomando un valor de:

g = 9.8 m/s²

La interacción gravitatoria es la responsable de los movimientos a gran escala en todo el universo, ya que es la que hace que los planetas sigan órbitas predeterminadas alrededor del Sol.  Isaac Newton fue la primer persona en darse cuenta que la fuerza que hace que las cosas caigan con aceleración constante en la Tierra y la fuerza que mantiene en movimiento los planetas y las estrellas era la misma, y a el le debemos la primer teoría general de la gravitación. (Enciclopedia Libre Universal en Español)

Es, con diferencia, la más débil de las cuatro interacciones fundamentales. Sin embargo, sus efectos tienen un rango de acción ilimitado y son acumulativos, lo que le confiere una indiscutible preponderancia a nivel macroscópico. Esto explica por qué es una fuerza tan poderosa a nivel macroscópico. Por ejemplo, la atracción que ejerce un simple kilogramo de masa bajo nuestros pies no es muy importante y de hecho no logramos percibirla; sin embargo, las millones de toneladas que supone la masa de todo el planeta acumulan tal poder atractivo sobre nosotros que no somos capaces de despegarnos de su superficie de forma permanente

La interacción gravitatoria  afecta a todos los tipos de partículas, tiene carácter exclusivamente atractivo y su alcance es infinito. Según la Teoría de la Relatividad, la interacción gravitatoria es una manifestación de la deformación que sufre el espacio-tiempo por la presencia de objetos con masa. 

Desde el punto de vista del Modelo Estándar, la interacción gravitatoria tendría una hipotética partícula portadora o mediadora, el gravitón, indetectado hasta la fecha.  Es siempre atractiva. Mayor masa, mayor atracción. Además, la característica de ser atractiva y no repulsiva produce que las partículas que la sufren tiendan a agruparse, sumando sus efectos, lo que redunda en una mayor condensación. Esto da lugar a gigantescas formaciones de masa concentrada que llega a colapsar sobre sí misma, como el caso de las estrellas de neutrones o los agujeros negros (Universo Antrópico). 

No obstante, su influencia se reduce a medida que aumenta la distancia según la ley de la Gravitación Universal descrita por sir Isaac Newton.  Esta disminución con el cuadrado de la distancia es fundamental para permitir la ordenación del universo tal y como lo conocemos. Si la atracción gravitatoria no disminuyese con la distancia, sentiríamos el efecto de atracción de todos los planetas del sistema solar con igual intensidad que lo sentimos respecto a la Tierra. De hecho, ya que nuestro planeta no es ni mucho menos el cuerpo más masivo de nuestros alrededores, su atracción no sería suficiente para retenernos y nos encontraríamos viajando por el espacio hacia el sol, que a su vez viajaría en línea casi recta hacia el centro de la galaxia, arrastrando tras de sí una cola de planetas y cuerpos que ya no le orbitarían. En definitiva, un escenario muy improbable para la vida. 

La gravedad es una fuerza de efectos bien conocidos y predecibles desde hace tiempo. Einstein, por su parte, proporcionó un modelo que integraba a la gravedad en su llamada Teoría de la Relatividad General. Sin embargo se desconoce su mecanismo de funcionamiento a nivel cuántico.

Las otras tres interacciones fundamentales han podido ser descritas a nivel cuántico mediante los llamados bosones portadores, partículas virtuales que transportarían dichas fuerzas. Así, el intercambio de gluones entre los quarks produce la atracción nuclear fuerte que los mantiene unidos en hadrones.  ¿Existe la correspondiente partícula virtual cuyo intercambio sea el responsable de la interacción gravitatoria? Algunas teorías postulan que esta partícula virtual es el gravitón , pero no se ha conseguido formular un modelo completo que lo integre ni se ha podido detectar su presencia en los aceleradores.  En términos sencillos, dos partículas dotadas de masa se atraerían mutuamente gracias al intercambio de gravitones. Es este intercambio, el que crearía un campo, que mantendría unidas a ambas partículas.

Este es uno de los mayores retos de la física actual, el unificar la teoría cuántica y la teoría de la relatividad en una única teoría unificada que explique la gravedad a nivel cuántico.

Energía oscura:

En los últimos años se ha postulado la existencia de una forma hipotética de energía que produce una presión negativa, resultando en una fuerza gravitacional repulsiva. Es la llamada  energía oscura, introducida como concepto físico para explicar las actuales mediciones (corroboradas hasta por tres procedimientos distintos) que indican que el universo no sólo se expande, sino que lo hace de forma acelerada, algo que no puede ser explicado únicamente con una interacción gravitatoria atractiva (Alt64).

Uno de los aspectos más relevantes de la interacción gravitatoria. La propiedad aditiva de la tensión de la curvatura longitudinal o energía potencial elástica de la globina que soporta la fuerza gravitatoria.

·         Propiedad aditiva de la fuerza gravitatoria.

La curvatura longitudinal que provoca o sustenta la interacción gravitatoria, junto con la característica de rigidez, ocasiona que se generen líneas de tensión elástica en los filamentos de la estructura tridimensional de la gravedad.

Los campos electromagnéticos también poseen la propiedad aditiva de sus potenciales, pues como veremos más adelante su soporte material también es la globina, pero se trataría de la elasticidad transversal de sus filamentos.

Los colores rojo y verde de las tres figuras sobre la fuerza gravitatoria muestran la propiedad aditiva de la elasticidad de la curvatura longitudinal como una relación lineal al sumar las distancias verticales entre los filamentos; una mayor aproximación a la realidad sería la de sumar las distancias en escala semi logarítmica por la ley del inverso de los cuadrados.

Fuerza nuclear fuerte



Antes de conocer algunas características de esta fuerza, es fundamental considerar los siguientes aspectos:

1.    Los núcleos de los átomos están formados por protones y neutrones.

2.    Los protones son de carga positiva.

3.    Los neutrones no poseen carga eléctrica.

4.    Los protones experimentan repulsión entre ellos debido a la presencia de cargas iguales.

“La fuerza nuclear fuerte es la razón por la que las partículas del núcleo permanecen unidas y experimentan atracción. Sólo actúa a distancias muy cortas (por ejemplo el radio de un núcleo). Su partícula mediadora son los gluones”. (Torres, 2000).

Esto quiere decir, que sí no existiera esta fuerza, se experimentarían en los núcleos de los átomos una inestabilidad ocasionada por la fuerza electromagnética que provoca una repulsión de los protones debido a cargas iguales.

Dentro de las características que presenta esta fuerza se encuentran: se le considera la interacción más fuerte presente en la naturaleza, actúa directamente sobre los quarks, es de poco alcance, alrededor de una billonésima de milímetro, son de poco tamaño y es de naturaleza atractiva. “Este tipo de interacción mantiene unidos a los quarks para formar hadrones (protones, neutrones y mesones” y a los protones y neutrones para formar el núcleo. (Zubero, 2010). Se asegura que en  un núcleo no puede existir gran cantidad de protones, ya que sus partículas se disgregarían gracias a  la fuerza electromagnética.   

“Existen unas reglas para que se acoplen los quarks, y dependen de lo que los científicos han llamado “color”, por analogía con lo que normalmente entendemos como tal. Tenemos tres colores: rojo, azul y verde. Para que una unión pueda ser llevada a cabo, el resultado ha de dar color blanco, y es análogo a mezclar diversas tintas para conseguir el color deseado. Por ejemplo, el protón está formado por dos quarks del tipo llamado arriba y un quark del tipo llamado abajo, de forma que uno es rojo, otro azul y otro verde.

Puede parecer paradójico que dos quarks arriba tengan distinto color, sin embargo, la explicación se halla en que la interacción nuclear fuerte se manifiesta mediante el intercambio de gluones, que son los bosones correspondientes a esta interacción. Dichos gluones tienen la propiedad de cambiar la carga de color de los quarks, de forma que cada quark puede presentar cualquiera de los tres colores.” (www.nodo.febrero2004).

Fuerza nuclear débil

La interacción débil, frecuentemente llamada fuerza débil o fuerza nuclear débil, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. En el modelo estándar de la física de partículas, ésta se debe al intercambio de los bosones W y Z, que son muy masivos. El efecto más familiar es el decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. La palabra "débil" deriva del hecho que un campo de fuerzas es de 1013 veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias (Astromia).

La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción. Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte (Astromia).

Para entender la fuerza nuclear hay que saber los siguientes hechos:

Los núcleos atómicos están hechos de protones y neutrones

Tanto los protones como los neutrones, están constituidos por tres quarks cada uno

Un protón (que tiene carga eléctrica positiva) puede convertirse en un neutrón (que no tiene carga) examinando los quarks que componen a ambos apreciamos que

Un protón está hecho de 2 quarks de tipo U y 1 quark de tipo D

Un neutrón está hecho de 1 quark de tipo U y 2 quarks de tipo D.

Con lo que basta con cambiar un quark tipo U a uno tipo D.

Esto es exactamente lo que ocurre en la naturaleza cuando entra en acción la fuerza nuclear débil. Un quark tipo U cambia a uno tipo D por medio de la interacción débil

Las otras dos partículas que salen son un anti-electrón y un neutrino.

Este mismo proceso es el responsable del decaimiento radiactivo de algunos núcleos atómicos. Cuando un neutrón se convierte en un protón en el decaimiento radiactivo de un núcleo, aparece un electrón y un neutrino. Este es el origen de la radiación beta (electrónes). 

La interacción débil afecta a todo leptón con quiralidad zurda y a los quarks. Es la única fuerza que afecta a los neutrinos (excepto por la gravitación, que no se puede evitar a escalas del laboratorio). La interacción débil es única en varios aspectos (Wikipedia):

1.       Es la única interacción capaz de cambiar su sabor

2.       Es la única interacción que viola la paridad de la simetría P (ya que sólo actúa sobre electrones, muones y tauones de izquierdas). Esta es también la única que viola la simetría CP.

3.       Es la que media entre los bosones de gauge pesados. Esta característica inusual es explicada en el modelo estándar por el mecanismo de Higgs.

Debido a la gran masa de las partículas que transportan la interacción débil (cerca de los 90 GeV/c2), su vida media está limitada a cerca de 3×10⁻²⁷  segundos, por el principio de incertidumbre. Incluso a la velocidad de la luz este límite efectivo del rango de la interacción débil de 10⁻¹⁸  metros, cerca de mil veces más pequeña que el diámetro del núcleo atómico.

Ya que la interacción débil es a muy cortas distancias y muy débil, sus efectos más considerables son debido a otra condición única: su cambio de sabor. Considere un neutrón (contiene un quark up y dos quark down), aunque el neutrón es más masivo que su "hermano" nucleón (m(neutrón)= 939.5653 MeV, m(protón)=938.27203 MeV), no puede decaer en un protón (contiene dos quark up y un quark down) sin cambiar el sabor de uno de los quarks down. La interacción fuerte o el electromagnetismo no pueden cambiar su sabor, por lo que esto sólo puede ocurrir a través de un decaimiento débil. En este proceso, un quark down en un neutrón cambia en un quark up emitiendo un bosón W, que luego se rompe en electrones de alta energía y un antineutrino electrónico. Los electrones altamente energéticos son radiación beta, esto es llamado desintegración beta.

Debido a la debilidad de la interacción débil, los decaimientos débiles son muy lentos comparados con los decaimientos fuertes o los electromagnéticos. Por ejemplo, un decaimiento electromagnético de un pion neutro tiene una vida de cerca de 10^-16  segundos; un decaimiento débil cargado con un pion vive cerca de 10^-8  segundos, cien millones de veces más largo. Un neutrón libre vive cerca de 15 minutos, haciéndola una partícula subatómica inestable con la más larga vida media conocida.

La fuerza débil sólo actúa a distancias menores al 0,1% del diámetro del protón, y sus efectos en un átomo son muchos órdenes de magnitud menores que los de la fuerza electromagnética. Por ello, la interacción débil sólo puede ser detectada con experimentos de extrema precisión.

Ahora, Konstantin Tsigutkin y sus colegas de la Universidad de California en Berkeley (EE.UU.) informan en Physical Review Letters de un experimento con iterbio (elemento químico de símbolo Yb) en el que se ha observado el mayor efecto en átomos de la interacción débil hasta la fecha. El grupo de Berkeley realizó mediciones con láser para determinar cómo la fuerza débil, que modifica muy ligeramente las interacciones entre los electrones y el núcleo, afecta al estado fundamental del Yb. Las interacciones observadas son 100 veces mayores de las que se habían observado en el cesio (Cs), el elemento en el que se hicieron las primeras mediciones y en el que se han hecho las más precisas determinaciones de los efectos de la interacción débil. El hallazgo de un efecto tan grande en el Yb anima a seguir buscando interacciones de la fuerza débil en otros átomos pesados y representa en sí mismo una oportunidad para usar técnicas de física atómica a nivel de laboratorio para investigar una nueva física más allá del modelo estándar sin recurrir a costosísimos aceleradores de partículas.

Sabemos que la materia consiste de fermiones: los leptones como el electrón, y los quarks, que forman hadrones como los protones y los neutrones. Las fuerzas entre partículas de materia se ejercen por mediación del intercambio de bosones de gauge: el fotón (sin masa) para la interacción electromagnética, los bosones Z0, W+, y W- (con masa) para la débil, y ocho gluones para la fuerte. Una consecuencia del modelo estándar es que las interacciones electromagnética y la débil son meras manifestaciones diferentes de una única fuerza electrodébil. Esta unificación fue la que llevó a la predicción de la existencia del bosón Z0, que fue observado posteriormente tanto en los experimentos de dispersión de neutrinos de alta energía como en átomos a baja energía. El intercambio del bosón Z0 en los átomos entre los electrones y el núcleo se asocia con una violación de la paridad (simetría) lo que se manifiesta, por ejemplo, en una diferente absorción de la luz polarizada circular a izquierda o a derecha.

Conclusiones

Desde el estudio de los filósofos y los griegos la pregunta esencial siempre ha sido, "¿De qué está hecha la materia?  ¿Cuántas clases distintas de fuerzas hay?"  Como hemos visto en el presente blog, actualmente se considera que todas las fuerzas de la naturaleza son el resultado de cuatro grupos de fuerzas, por eso se les conoce como fuerzas fundamentales.  Durante mucho tiempo se ha estudiado, qué causa dichas fuerzas y cuáles son sus características.

Para tres de ellas, se han encontrado partículas mediadoras, es decir, para la fuerza electromagnética y las fuerzas nuclear fuerte y nuclear débil.  Sin embargo, aun no se han encontrado partícula mediadora para la gravitación.

La física de las partículas permite renovar nuestra visión de las fuerzas fundamentales.  Mientras que en la Física Clásica se nos presenta todo como interacción entre partículas cargadas, en la Mecánica Cuántica tenemos todo en términos de emisión y absorción de fotones (Young y Freedman, 2009).  La nueva visión del Universo, llega a cambiar nuestros esquemas clásicos.

Actualmente, se sigue buscando una gran teoría unificada, que pueda explicar con una sóla fuerza, la interacción entre estas cuatro fuerzas fundamentales.  Actualmente, todas las teorías son especulativas, y aun hay muchas preguntas sin respuestas (Young y Freedman, 2009)