A
menudo utilizamos la frase “fuerza de voluntad” pero en realidad al usarla, ¿estaremos realmente pensando en el concepto de fuerza? Generalmente hacemos comparaciones sobre
quién tiene más fuerza, los niños juegan de manos muchas veces con el afán de
demostrar su mayor fuerza, los animales muchas veces luchan y vemos que gana el
de mayor fuerza. Por otro lado nuestro entorno y quehacer cotidiano nos muestra
un sinfín de situaciones en las cuales este parámetro está presente, por
ejemplo los huracanes que generan vientos que derriban árboles y casas, cuando
partimos un pastel hacemos una fuerza sobre el cuchillo, cuando caminamos
hacemos fuerza sobre el suelo, se podrían mencionar muchos más ejemplos en los
que se generan o aplican fuerzas.
Sin
embargo los ejemplos mencionados ocurren en cuerpos que están formados por un
gran número de átomos, pero hoy sabemos que uno de los grandes logros de las
últimas décadas ha sido descubrir la acción de dichas fuerzas pero a un nivel
atómico, o sea entre los componentes básicos de la materia. En documento
electrónico publicado por el grupo de altas tecnologías UCM, se cita que:
Tenemos
la creencia de que en la naturaleza existe una gran variedad de fuerzas, pero
no es así, cualquiera de las fuerzas que nos encontramos, cuando uno desciende
hasta los niveles microscópicos ha de ser debida solamente a cuatro tipos de
interacciones entre los átomos:
i)
Fuerza Gravitatoria.
ii)
Fuerza Electromagnética
iii)
Fuerza nuclear fuerte.
iv)
Fuerza nuclear débil.
Además señala dicho documento: "Dos de ellas las conocemos
por la experiencia cotidiana, las otras dos implican interacciones entre
partículas subatómicas que no podemos observar directamente con nuestros
sentidos”.
También señala el artículo antes mencionado
que cada una de estas cuatro fuerza fundamentales de la naturaleza deben tener
su propia partícula mediadora, indica que la fuerza gravitatoria debe una
partícula llamada gravitón, que aún no se conoce; para la fuerza
electromagnética su partícula es el fotón, para la nuclear fuerte su partícula
mediadora es llamada Gluón y para la fuerza nuclear débil sus partículas
mediadoras son conocidas como bosones débiles.
Hoy día gracias a los descubrimientos
de muchos científicos se sabe que el átomo está conformado por muchas
partículas subatómicas, que además de protones, electrones y neutrones. También
están los mesones, leptones, quarks, gluones y bosones entre muchos otros.
Durante millones
de años la gravedad fue dando forma a nuestro universo. Los planetas, las
estrellas, las galaxias y todo cuanto hay en el cosmos no existiría si la
gravedad no hubiese intervenido en su formación. La interacción gravitatoria
mantiene unido el universo, crea y deshace los gigantescos cuerpos celestes, y
también dirige su paseo cósmico. Sin la interacción gravitatoria, la vida tal y
como la conocemos no habría aparecido en ningún lugar del universo.
Imagen N°1. Influencia de la
gravedad en la evolución estelar.
De acuerdo con
Sears, et al. (2009), la gravitación fue la primera de las cuatro clases de
interacciones que vemos en la naturaleza en ser ampliamente estudiada por el
hombre. Su estudio surge a partir de las grandes interrogantes que se formulaba
la gente común sobre el firmamento. ¿Qué sostiene la Tierra? ¿Por qué no se cae
la Luna? ¿Por qué se mueven los planetas y las estrellas? Las respuestas a
tales preguntas conducen inevitablemente al estudio de la interacción
gravitatoria. Isaac Newton,
partiendo de los descubrimientos de sus predecesores, fue el primero en
proponer en su obra Philosophiae
Naturalis Principia Mathematicauna teoría general de la gravitación sobre
una base experimental y matemática. Para el físico y matemático inglés, la
gravedad es una fuerza atractiva que obliga a los planetas a describir órbitas
alrededor del sol, el alcance de la fuerza es infinito pero su magnitud decae
con la distancia entre los cuerpos. En la teoría newtoniana de la gravitación,
la fuerza se calcula respecto del centro de gravedad de dos cuerpos y es
directamente proporcional al producto de las masas, e inversamente proporcional
al cuadrado de la distancia que los separa.
Imagen N° 2. Ley de
gravitación universal de Newton
Posteriormente
el físico alemán Albert Einstein anuncia que la teoría newtoniana está
incompleta y por ende es incapaz de describir con exactitud los efectos de la
gravedad en el universo. En su teoría de la relatividad general explica que la
gravedad es una consecuencia de la geometría del espacio-tiempo, de este modo
el Sol deforma el espacio-tiempo de su entorno, de manera que el propio espacio
empuja a los planetas hacia la estrella. El espacio-tiempo es dinámico y es
deformado por la masa de los cuerpos. El empuje gravitatorio es simplemente una
ilusión creada por la deformación de la geometría del espacio-tiempo por efecto
de un cuerpo masivo, es decir que “en la teoría general de la relatividad, las
propiedades geométricas del espacio se ven afectadas por la presencia de materia”
(Sears, et al., 2009, p. 1296). Esta teoría ha pasado con éxito varias pruebas
experimentales allí donde las predicciones de la mecánica newtoniana fracasan
(Tipler y Mosca, 2015).
Imagen N° 3. Deformación de
la geometría del espacio-tiempo.
Sin embargo
aunque la teoría de la relatividad general explica satisfactoriamente cómo funciona
la gravedad a gran escala, presenta un gran problema. Según acortamos las distancias,
la fuerza gravitatoria crece y, dado que actúa sobre sí misma, aumenta hasta
hacerse infinita, por lo cual la teoría de Einstein es incapaz de describir el
espacio-tiempo. De acuerdo con Moreno (2013):
“Hay situaciones en las que la Relatividad propone la existencia de una
singularidad, un punto de curvatura y densidad infinita en el que la teoría
pierde cualquier capacidad de predecir. La física simplemente se detiene ahí”
(párr. 2).
En
la actualidad los físicos consideran que la teoría de Einstein de la
gravitación es una teoría incompleta, ya que resulta lógico que a distancias
pequeñas la relatividad general tiene que ser reemplazada por otra teoría alternativa
que describa tanto el mundo macroscópico como ese diminuto universo de manera
satisfactoria. La teoría se vuelve inútil al no poder realizar predicciones. La
mecánica cuántica es una teoría tan altamente exitosa como la relatividad
general y han sido numerosos los esfuerzos de los científicos en conseguir una
teoría cuántica de la gravedad. Hasta la fecha mediante la teoría cuántica de
campos se ha logrado describir tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la
naturaleza. La gravedad por el momento no está al alcance de la teoría. Al
aplicarle el mismo tratamiento matemático que a las demás interacciones
fundamentales no se obtienen resultados finitos, pero otros modelos que se
derivan de la mecánica cuántica se postulan como posibles candidatas a una
teoría cuántica de la gravedad, por citar tan solo dos ejemplos se tienen la
Teoría Cuántica de Lazos (Loop Quantum Gravity o LQG) y la Gravedad Cuántica de
Einstein (Quantum Einstein gravity) de Martin Reuter (Moreno, 2013). El
problema con las teorías candidatas a convertirse en la futura teoría cuántica
de la gravedad capaz de hacer desaparecer singularidades y objetos similares,
es que las energías y condiciones en las cuales se considera que la gravedad
cuántica es importante son actualmente inaccesibles a los experimentos de
laboratorio. Como consecuencia no se disponen de resultados y observaciones
experimentales que brinden alguna indicación de cual predicción es la correcta. Según
Moreno (2013), las teorías cuánticas señalan que el campo gravitatorio debe
manifestarse en "cuantos" o partículas bosónicas transmisoras de la
interacción gravitatoria. A esta partícula hipotética o bosón gauge se le
denomina gravitón. Los experimentos realizados hasta la fecha aún no han
encontrado evidencia de la existencia del gravitón dado que estas partículas
portarían muy poca energía, pero se estima que debe ser un bosón de espín 2,
sin carga eléctrica y con una masa nula o prácticamente insignificante. La
interacción de las partículas materiales con los bosones gauge que producen los
campos de fuerza se interpreta en términos de emisión o absorción de estos
cuantos, sin embargo a diferencia de las otras partículas mediadoras los
gravitones también podrían interactuar entre ellos. En el siguiente vídeo se
brindan más propiedades del gravitón:
El estudio de la interacción
gravitatoria resulta de gran importancia para la humanidad al ser esta una
fuerza vinculada a todas las actividades que ocurren en el universo. Es una
fuerza sorprendente que gobierna el universo trabajando a grandes y pequeñas
escalas; nada escapa a su influencia. Por tal motivo un mayor entendimiento de
este “pegamento cósmico” conducirá a nuevos y fascinantes descubrimientos e
inventos que beneficiarán a toda la humanidad.
Es una de las cuatro fuerzas fundamentales, que se
manifiesta a través de las fuerzas entre las cargas (Ley de Coulomb), y la
fuerza magnética, las cuales, se resumen en la ley de la fuerza de Lorentz.
Fundamentalmente, las dos fuerzas magnética y eléctrica, son manifestaciones de
una fuerza de intercambio que implica el intercambio de fotones. El enfoque
cuántico de la fuerza electromagnética, se denomina electrodinámica cuántica o
QED. La fuerza electromagnética es una fuerza de rango infinito que obedece a
la ley de la inversa del cuadrado, y es de la misma forma que la fuerza de la
gravedad.
Las fuerzas electromagnéticas son experimentadas por
partículas con carga eléctrica. Son las que mantienen los electrones ligados al
núcleo atómico y también las que originan las fuerzas existentes entre átomos o
moléculas, que no son otra cosa que el resultado de las atracciones eléctricas
entre los electrones y núcleos que los componen. Son por lo tanto responsables
de todos los fenómenos químicos y de casi todos los fenómenos cotidianos, con
excepción de la gravedad. Determinan, por ejemplo, si una sustancia es sólida,
líquida o gaseosa a una cierta presión y temperatura, y si un cierto material
es duro o blando. Todos los fenómenos biológicos son también originados en
última instancia por fuerzas electromagnéticas. Además, claro está, son
responsables de los relámpagos, de las fuerzas entre imanes y de la energía
eléctrica que utilizamos diariamente.
La fuerza electromagnética mantiene unidos a los átomos y
las moléculas. De hecho, las fuerzas de atracción y repulsión eléctrica de las
cargas eléctricas son tan dominantes sobre las otras tres fuerzas
fundamentales, que estas pueden ser consideradas como insignificantes en la
determinación de la estructura atómica y molecular. Incluso los efectos
magnéticos suelen ser evidentes sólo a altas resoluciones, y actúan como
pequeñas correcciones. Vídeo
breve acerca de la fuerza electromagnética:
El
fotón es el nombre dado a un cuanto de luz o de otra radiación
electromagnética. La energía del fotón se da en la fórmula de Planck. El fotón
es la partícula de intercambio responsable de la fuerza electromagnética. El
rango infinito de la fuerza electromagnética, se debe a la masa en reposo cero,
del fotón. Aunque que el fotón tiene masa en reposo cero, tiene un momento
finito, exhibe deflexión por un campo de gravedad, y puede ejercer una fuerza.
El
fotón tiene un momento angular intrínseco o "espín" de 1, por lo que
las transiciones electrónicas que emiten un fotón, deben dar lugar a un cambio
neto de 1 en el momento angular del sistema. Esta es una de las "reglas de
selección" para las transiciones de electrones.
La
fuerza nuclear débil es una interacción que forma parte 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 fuertes.
El efecto más interacción que representa, es más fuerte que la gravitación a
cortas distancias.
Según
Torres (2007), un protón se puede convertir en un neutrón, además señala que,
en el sol este proceso ocurre muchísimas veces cada segundo, pero se pregunta
el autor, “¿cómo puede ocurrir esto?”, ante dicha pregunta él mismo responde lo
siguiente:
Para
entender mejor cómo un protón (que tiene carga eléctrica positiva) se convierte
en un neutrón (que no tiene carga) conviene examinar los quarks que componen al
protón y al neutrón. 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.
Para
ilustrar la diferencia entre el protón y el neutrón, se transcribe la
representación que hace Torres:
ImagenN° 1. Protón y Neutrón.
Imagen N° 2. Protón y Mesón pi.
Continúa
Torres con la pregunta: ¿Cuál es la diferencia entre el protón y el neutrón?, a
lo que él mismo añade la siguiente respuesta:
Basta
con cambiar un quark tipo U a uno tipo D. Pues justamente esto es 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.
También
podemos ver un vídeoexplicativo
de la fuerza nuclear fuerte y débil, en el siguiente enlace:
Barranco
y Mondragón señalan que la pregunta: ¿de qué está hecho el universo? no se
podía resolver de manera general. Se tuvieron que invertir incontables horas de
trabajo donde colaboraron una larguísima serie de científicos que incluye a
Dalton, Mendeleiev, Rutherford, Thomson, Einstein, Bohr, Dirac, Schrödinger,
Heisenberg, Feynman, Fermi, Gell-Mann, Glashow, Salam, Weinberg, Lederman,
Higgs, Yang, Mills y muchos más, antes de poder contestarla. Ahora se tiene una
teoría, conocida como el ME, que es capaz de abordar a la pregunta general y lo
que es más, esa teoría es capaz de hacer predicciones con una precisión de 1 en
100 mil millones. Sin entrar en detalles técnicos, de acuerdo al ME, la materia
está constituida por partículas elementales, es decir, hasta las escalas de
energía alcanzada por los aceleradores actuales, partículas indivisibles y sin
estructura interna. Estas partículas elementales se dividen en quarks, leptones
y bosones intermediarios (p. 5).
Finalmente hay doce bosones intermediarios
que son los responsables de transmitir las interacciones fundamentales (sin
incluir a la gravedad) entre los quarks y los leptones. Existen cuatro
interacciones fundamentales de la naturaleza que actúan sobre los quarks y los
leptones:
1. La fuerza
fuerte que, entre otras cosas, mantiene a los quarks unidos para que formen a
los protones y a los neutrones. Los bosones responsables de transmitir esta interacción
son 8 gluones.
2. La débil,
que es la responsable del decaimiento de los núcleos. Los bosones asociados son
los bosones w (uno positivo y su antipartícula que es negativa) y un bosón
neutro llamado z.
3. La
electromagnética producida por el intercambio de fotones.
4. La
gravitacional. A este nivel la gravedad no juega un rol importante y es por ello que puede ser despreciada sin pérdida de generalidad.
Para comprender mejor este asunto de los
bosones podemos recurrir a la comparación que hacen Barranco y Mondragón:
Sin
entrar en mucho detalle, él ME es una teoría cuántica de campos que describe
las interacciones entre los leptones y los quarks a través del intercambio de
bosones intermediarios. Una imagen caricaturizada es la siguiente: imaginemos
que vemos a dos tenistas desde una altura considerable. Observamos que ambos
jugadores se mueven de manera muy curiosa y al parecer sin ningún orden. Sin
embargo, a medida que nos acercamos a los jugadores veremos que entre ellos
intercambian una pelota, que es la responsable de que se muevan de la manera
que vimos anteriormente. De forma similar, las partículas elementales
interactúan intercambiando una partícula entre ellas a la cual llamamos bosón
intermediario. Para la interacción fuerte, por ejemplo, los intermediarios son
los gluones (del inglés glue: pegamento), para la fuerza débil son los bosones
w y el z y para la electromagnética el fotón. Siguiendo con la analogía,
nuestros tenistas se pueden agrupar a su vez en dos bandos: los hadrones y los
leptones. Los primeros son principalmente sensibles a la interacción fuerte, y
los leptones a la débil (p. 6 ).
La comparación de Barranco y Mondragón
continúa explicando que:
Este modelo que brevemente hemos
esquematizado necesita además de una partícula extra conocida como el bosón de
Higgs. La necesidad de dicha partícula radica en el hecho de que todos los
bosones intermediarios y partículas tendrían masa nula en el modelo con
simetrías exactas. Sin embargo, la evidencia experimental requiere que al menos
los bosones intermediarios de las interacciones débiles sean masivos para poder
ajustar los datos observados, sin mencionar la clara observación cotidiana de que
los protones, electrones y toda la materia que conocemos tienen masa. Para
inducir esa masa se requiere que haya un rompimiento espontáneo de una parte
del grupo de simetrías del modelo. El responsable de dicho rompimiento, y por
ende el generador de la masa de los bosones w y z, es una partícula de espín
cero que es precisamente nuestro llamado bosón de Higgs (p. 6).
Sin
embargo el citado Bosón de Higgs es lo que buscan con el proyecto referido por
Barranco y Mondragón, dicho proyecto lo han llamado el Gran colisionador de
hadrones (LHC), consideran los autores que:
Si el ME es la teoría última de las
partículas elementales (si se descubre el Higgs tal y como se predice, con su
valor esperado de masa y demás propiedades) entonces el LHC marcará el momento
de encarar el verdadero problema de saber sí el conocimiento de los componentes
básicos de la naturaleza permitirá construir un entendimiento del sistema
total. Es decir, sí podremos entender el día a día del mundo con las leyes e
interacciones fundamentales. Por otra parte, y siguiendo la filosofía de que
aparecen propiedades nuevas e inesperadas cuando (p. 11).
Una
fuerza que puede mantener unido un núcleo en contra de las enormes fuerzas de
repulsión de los protones, es realmente fuerte. Sin embargo, no es una fuerza como
la electromagnética, y tiene un alcance muy corto. Yukawa modeló la fuerza
fuerte como una fuerza de intercambio, en el que las partículas de intercambio
son piones, y otras partículas más pesadas. El rango de una fuerza de
intercambio de partícula, está limitado por el principio de incertidumbre. La
interacción fuerte es la más intensa de las cuatro fuerzas fundamentales.
Dado
que los protones y los neutrones que componen el núcleo, se consideran que
están hechos de quarks, y los quarks se consideran que se mantienen juntos por
la fuerza de color, la fuerza fuerte entre los nucleones puede ser considerada
como una fuerza de color residual. En el modelo estándar, por lo tanto, la
partícula básica de intercambio es el gluón, que media las fuerzas entre los quarks.
Dado que los gluones y los quarks individuales están contenidos dentro del
protón o del neutrón, las masas que se les atribuyen, no se puede usar en las
fórmulas de rango para predecir el rango de la fuerza. Cuando se ve algo que
emerge de un protón o un neutrón, entonces debe ser por lo menos un par
quark-antiquark, por lo que es entonces plausible que el pión como el meson más
ligero, debería servir como un predictor del rango máximo de la fuerza fuerte
entre los nucleones. Vídeo breve que habla
de la fuerza interacción fuerte y débil :
Los
gluones son las partículas de intercambio de la fuerza de color entre los
quarks, de forma análoga al intercambio de fotones en la fuerza
electromagnética entre dos partículas cargadas. El gluón puede ser considerado
como la partícula de intercambio fundamental, que subyace en la interacción
fuerte entre los protones y los neutrones en un núcleo. Esa interacción de
corto alcance nucleón-nucleón, puede ser considerada como una fuerza de color
residual, que se extiende fuera de los límites de los protones o de los
neutrones. Esa interacción fuerte fue modelada por Yukawa como consistente en
un intercambio de piones, y de hecho, el cálculo del alcance del pión, fue útil
en el desarrollo de nuestra comprensión de la fuerza fuerte.
Los
gluones son parejas de quark y antiquark (materia-antimateria) que surgen
pareados del "mar de quarks" del que trasciende la existencia,
materializándose mediante su interacción con el campo de Higgs, que reside en
lo más profundo del tejido espacio-temporal del Universo.
Las
interacciones de los gluones son a menudo representadas por un diagrama de
Feynman. Téngase en cuenta que el gluón genera un cambio de color en los
quarks. Los gluones son de hecho considerados como bicoloreados, llevando una
unidad de color y una unidad de anti-color como se sugiere en el diagrama de la
derecha. El dibujo del intercambio de gluones, convierte un quark azul en uno
verde y viceversa. El rango de la fuerza fuerte está limitado por el hecho de
que los gluones interactúan unos con otros, así como con los quarks, en el
contexto del confinamiento de quarks. Estas propiedades contrastan con la de
los fotones, que no tienen masa y son de alcance infinito. El fotón no lleva
consigo carga eléctrica, mientras que los gluones llevan "carga de
color".
Dentro
de su alcance, los gluones pueden interactuar unos con otros, y pueden producir
pares virtuales quark-antiquark. La característica de la interacción entre sí,
es muy diferente de las otras partículas de intercambio, y plantea la
posibilidad de existencia de colecciones de gluones denominado
"glueballs" (bolas de gluones). El estado interno de un hadrón se
considera compuesto de un número fijo neto de quarks, pero con una nube
dinámica de gluones y pares de quarks-antiquarks en equilibrio.
Los
gluones surgen como pares, y como pares han de existir siempre, siendo, por
tanto, indivisibles. Si se les intenta separar, una nube de gluones surgirá
entre ellos, estirándose en forma de supercuerda elástica que, si llega a
quebrarse, dará lugar a dos nuevos pares de quark-antiquark, surgidos de los
dos trozos resultantes de la rotura de la cuerda.
Los
gluones, por tanto, ya que también son quarks, tienen carga de color. En
realidad, al ser parejas de quarks son “bicolores”, es decir, son pequeños dipolos
de color cuya carga es una mezcla de las tres cargas de color: rojo, verde,
azul y forman parejas tales como: anti-rojo, anti-verde y anti-azul. Según
esto, deberían ser entonces de nueve tipos: rojo-antiverde, rojo-antiazul,
verde-antirrojo, verde-antiazul, azul-antirrojo, azul-antiverde,
rojo-antirrojo, verde-antiverde y azul-antiazul, pero, por razones de simetría
solo pueden darse ocho de esas uniones, pues las combinaciones tipo
color-anticolor del mismo color no están permitidas, ya que darían un gluón
neutro. Son ocho, por tanto, los gluones existentes.
vLos
físicos estiman que todas las fuerzas conocidas son expresiones de tan sólo cuatro
tipos de fuerzas o interacciones fundamentales entre las partículas.
vLa
interacción gravitatoria provoca que cualquier clase de materia dotada de
energía interaccione entre sí. Trabaja a grandes distancias y únicamente posee
carácter atractivo. De acuerdo con la
hipótesis del modelo estándar, la interacción gravitatoria, es causada por una partícula
hipotética denominada gravitón.
vLa
interacción electromagnética influye en partículas con carga eléctrica. Tiene
un alcance infinito. Es 10Ʌ36 veces más fuerte que la gravedad y describe
muchos de los fenómenos cotidianos. El fotón es la partícula elemental causante
de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético.
vLa
interacción nuclear fuerte, ocasiona la unión de los quarks para constituir los
hadrones. Su efecto solamente es apreciable a longitudes muy cortas del orden
de 10 Ʌ -15 metros. Según el modelo estándar, la partícula mediadora de esta
interacción es el gluón. La carga de color es una propiedad de los quarks y los
gluones que está asociada con su interacción fuerte.
vLa
interacción nuclear débil, se asocia a un tipo de carga llamada sabor, que la
tienen los quarks y los leptones. Esta fuerza es la responsable de los cambios
de sabor en estas partículas, y la causante de que los quarks y leptones decaigan
en partículas menos masivas, también es la responsable de la desintegración
beta. Según el modelo estándar, la interacción débil es mediada por los bosones
W y Z que son partículas muy masivas. Su intensidad es del orden de 10 Ʌ 25
veces la fuerza gravitatoria y su alcance es de 10 Ʌ -18 metros.
vEl
propósito de la física teórica es conseguir describir las cuatro interacciones como
manifestaciones de una sola fuerza, estableciendo una base matemática unificada
que describa el comportamiento de las cuatro clases de interacciones
fundamentales, conocida como la Teoría del Campo Unificado. El problema aparece
al intentar cuantizar la gravedad, que resulta ser una teoría no
renormalizable.
