Fuerzas fundamentales de la naturaleza
Al leer este texto vaya construyendo un mapa conceptual con al menos estos conceptos claves: Materia, partículas, hadrones y leptones, 4 fuerzas fundamentales, clasificación de fuerzas, ejemplos según clasificación.
La física es una ciencia dinámica, recién ayer aceptábamos como completa la explicación de que la materia está compuesta por átomos con electrones, protones y neutrones, y listo, eso nos ayudaba a comprender completamente todo… mmmm pero en la realidad quedaban muchos cabos sueltos: Qué son las fuerzas, como la fuerza de gravedad, o la eléctrica son producto de qué? ¿Qué hay en el vacío? Etc.
Por eso hoy día disponemos de una teoría más fuerte que nos explica qué es y de qué está compuesta la materia, pero también explica qué hay en el vacío, qué es la gravedad, etc. Ésta es la teoría Cuántica.
La Materia: Hoy día entendemos que todo está formado por doce partículas fundamentales que interactúan principalmente por cuatro fuerzas fundamentales.
De combinaciones de éstas doce partículas con las cuatro fuerzas fundamentales aparecen todas las otras partículas y fuerzas de la naturaleza.
Las doce partículas fundamentales (además existen sus antipartículas y en total sería 24), según el modelo estándar:
Si sabes inglés y te gusta el tema, puedes profundizar aquí:
Todas ésta partículas se unen para formar otras partículas, Por ejemplo:
Dos quarks up (u) y un quark down (d) forman un protón. La suma de la carga de estos tres quarks es 1, que es la carga eléctrica del protón.
Otro ejemplo:
Un neutrón puede decaer (desintegrarse) en un protón, un electrón y un neutrino de electrón. Vemos que se conservan las cargas, ya que el neutrón, como su mismo nombre indica, posee carga eléctrica igual a cero.
Y aunque, hay muchas fuerzas; el universo entero, según nuestro conocimiento actual, está regido por cuatro fuerzas fundamentales. La fuerza de gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil (fuerza que experimentan las partículas elementales en los núcleos de átomos que se desintegran radiactivamente) y la fuerza nuclear fuerte (fuerza que une las partículas nucleares de átomos estables). Esto significa que cualquier otra fuerza macroscópica puede ser explicada como una manifestación de cualquiera de las cuatro anteriores.
Veamos un ejemplo:
Los leptones (por ejemplo, el electrón) sufren tres de las cuatro interacciones fundamentales: Interacción gravitatoria (tienen masa), interacción electromagnética (tienen carga eléctrica) e interacción nuclear débil (partículas de generaciones superiores decaen hacia generaciones inferiores). Pero por no poseer carga de color (ésta es otra propiedad matemática que tienen las partículas y como no se le encontró un nombre lógico, simplemente se le llamó “color”) no son sensibles a la interacción nuclear fuerte. Esto quiere decir que no interactúan con otras partículas mediante la fuerza fuerte.
De esta forma, hoy día sabemos que todo, absolutamente todo interactúa de una u otra forma con alguna de las cuatro fuerzas fundamentales y se origina (según el modelo estándar) de alguna mezcla de las 12 partículas fundamentales o de sus 12 antipartículas.
De éstas cuatro fuerzas fundamentales se han originado muchas otras, las cuales se han clasificado:
- Fuerzas de Contacto: Son las fuerzas que actúan cuando dos cuerpos están en contacto uno con otro, por ejemplo, las fuerzas de reacción (como la normal, o las que aparecen por tercera ley de Newton) -cuando golpeas un clavo con el martillo, o la tensión.
- Fuerzas a Distancia: Son las fuerzas que actúan en los cuerpos, aunque no estén en contacto, algunas de ellas son:
- a) La fuerza de gravedad, la estudiaremos con mayor profundidad más adelante; pero, son las fuerzas que actúan a grandes distancias y entre cuerpos muy masivos, atrayendo, por ejemplo, la Tierra y el Sol, la Luna y la Tierra, etcétera. Algo interesante es que la fuerza de gravedad tiene proyección infinita, eso significa que su fuerza de gravedad viaja hasta los confines del universo y de esta forma usted está interactuando con absolutamente todo cuerpo material del universo, igualmente cuando usted desaparezca de la Tierra, el universo entero tiene que reestructurarse gravitacionalmente. Aunque hay que entender que los efectos de su gravedad en otros cuerpos son pequeños, más adelante calculará su atracción gravitacional con otro compañero.
También significa que NO existen espacios en el universo de gravedad cero, como algunos afirman.
- b) La fuerza magnética, es la que podemos percibir cuando ponemos cerca dos imanes.
- c) Las fuerzas eléctricas, son evidentes por ejemplo al acercar el brazo al televisor, ¿has visto como los pelos se erizan? O al frotar tu cabello con un peine y entonces acercarlo a pedacitos de papel, ¿has visto como los papelitos se pegan al peine? Estos dos fenómenos se dan por fuerzas eléctricas.
- d) Las fuerzas nucleares, estas son las que permiten que en el núcleo atómico los protones y neutrones se mantengan unidos, o también son las responsables de que algunos átomos experimenten desintegración radiactiva.
¿Qué evidencias ha visto de esas fuerzas a su alrededor?
Finalmente es necesario mencionar que las teorías actuales están cambiando rápidamente, por ello desde mediados del siglo pasado se ha estado trabajando en una sola teoría (teoría de la gran unificación de fuerzas) que involucre todas las fuerzas y explique todos los fenómenos, esto es un trabajo colosal y quizá uno de ustedes coloque un block de construcción en este gran marco conceptual o quizá usted sea el que encuentre el pilar que hace falta.
Con los conocimientos adquiridos completa el siguiente mapa conceptual:
Pero antes de divagar más, empecemos por entender como interactúa cualquiera de estas fuerzas con la materia, y fue Isaac Newton (1642 – 1727), quien puso unos pilares importantísimos, ya hemos visto la primera ley de Newton, continuemos entendiendo el resto.