sábado, 18 de abril de 2009

4.- FUERZAS Y ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE LA NATURALEZA.


Todo en la Naturaleza es simplicidad y magistral eficiencia.

Este tema le considero fundamental como introducción a los siguientes que pretendo desarrollar.


Hay sólo cuatro fuerzas conocidas que actúan en la Naturaleza y que dan lugar a la totalidad de las interacciones entre la materia. Todo lo que sucede en el universo es debido a la actuación de una o varias de estas cuatro fuerzas. Se diferencian en que la actuación de cada una de ellas implica el intercambio de un tipo diferente de particula denominada partícula intermediaria. Todas las partículas intermediarias son bosones (partículas portadoras de fuerza), mientras que las partículas que originan la interacción son fermiones (partículas portadoras de materia). Estas fuerzas son:



Fuerza de la gravedad
Fuerza electromagnética
Fuerza nuclear débil
Fuerza nuclear fuerte


De las cuatro fuerzas, la más intensa es la fuerza nuclear fuerte. Cada fuerza da lugar a una determinada interacción, por lo que habrá que considerar cuatro interacciones distintas. Estas interacciones se deben al intercambio de partículas intermediarias (partículas de fuerza), que son las verdaderas causantes de la interacción. La única interacción para la que no se ha detectado aún en el laboratorio partícula intermediaria es la gravitatoria, pero hay pocas dudas de su existencia. Esta partícula se denomina gravitón.

A continuación voy a resumir lo que se sabe sobre las cuatro interacciones. Las interacciones reflejadas se dan en una escala en la que la interacción gravitacional se ha considerado como unidad, por ello se asigna a esta interacción la intensidad 1.




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Así, por ejemplo, si se observa la interacción nuclear fuerte, su intensidad es 10 elevado a 39 (¡un 1 seguido de 39 ceros!) veces mayor que la de gravedad y su alcance de 10 elevavado a menos 13 cm. (0'0000000000001 cm.).


El alcance de estas interacciones está en función de la masa de las partículas intermediarias. Como el fotón y el gravitón no tienen masa, su acción tiene un alcance infinito. En cambio, las fuerzas débil y fuerte tienen alcance limitado; el bosón W tiene una masa muy elevada, aproximadamente 100 veces la masa del protón y el mesón pi tiene una masa de unas 300 veces la del electrón, por lo que la fuerza débil es la de menor alcance.

Como puede observarse, la gravedad es, con mucho, la más débil de las cuatro fuerzas y la más difícil de conciliar con las otras tres al intentar buscar una teoría que las unifique. Como he dicho, la gravedad tiene un alcance ilimitado y siempre es atractiva. Gracias a ello, el Cosmos es como es, pero tiene tan poca intensidad que se necesita la masa de la Tierra para que una hoja de papel de menos de un gramo de peso permanezca fija sobre la mesa cuando escribimos en ella y, sin embargo, si se la toca con un bolígrafo de plástico, previamente frotado con un jersey de lana para electrizarle, se puede observar cómo la fuerza eléctrica vence a la de la gravedad y levanta la hoja de papel. La fuerza gravitatoria mantiene a la Tierra y los planetas en sus órbitas. Sin la fuerza gravitatoria el aire que respiramos se dispersaría rápidamente hacia el espacio provocándonos la asfixia.

A diferencia de las otras tres fuerzas, las eléctricas son de atracción y repulsión, según su signo, por lo que, como sucede en el átomo, al compensarse las cargas positivas con las negativas está en estado neutro. Por esta misma circunstancia, gracias a que en casi todos los lugares de nuestro entorno las cargas eléctricas, positivas y negativas, están contrarrestadas, no dominan las fuerzas eléctricas. Todas estas características de las fuerzas elementales de la Naturaleza son la causa de que sea posible la existencia de nuestro planeta y de que exista vida en él.

Como he dicho, la gravedad es muchísimo más débil que la fuerza electromagnética. Para hacerse una idea de esta diferencia diré que la fuerza electromagnética de repulsión entre dos electrones es aproximadamente un billón de billones de billones (un uno seguido de 36 ceros) de veces mayor que la fuerza gravitatoria. Esto tiene una enorme importancia y es fundamental para la formación de los cuerpos celestes, como trataré de explicar cuando trate de explicar en otro tema por qué es tan viejo el universo. Por otro lado, el que la fuerza de la gravedad tenga este valor tan pequeño hace que sus efectos sean despreciables cuando se estudian partículas o átomos. Pero el hecho de que sea de alcance infinito y siempre atractiva significa que sus efectos se suman y, así, para un número de partículas materiales suficientemente grande, las fuerzas gravitatorias pueden dominar sobre todas las demás. Por ello, como he señalado más arriba, la gravedad determina la evolución del universo. En el caso de objetos del tamaño de una estrella la fuerza de la gravedad puede dominar sobre todas las demás y hacer que la estrella colapse y pueda crearse una supernova o un agujero negro.

Las fuerza débiles y fuertes son mucho más potentes que la gravedad, pero, por fortuna, al operar a distancias muy cortas, debido a estar mediadas por partículas de fuerza con masa, sólo actúan a nivel de las interacciones nucleares.

La fuera nuclear fuerte es la que liga a los quars, y mantiene unidos a los nucleones (protones y neutrones que están compuestos de quars y que integran los núcleos). A estas partículas que resultan afectadas por la fuerza nuclear fuerte se las denomina bariones. Es importante saber que en el mundo cuántico de estas partículas, los bariones, tiene lugar un conjunto de vibraciones (resonancias), pero solo se permiten vibraciones discretas, lo que hace que a cada una de estas resonancias le corresponda un tipo diferente de partícula subatómica, por lo que el numero de estas partículas es tan elevado como el de resonancias.

La fuerza nuclear débil gobierna las propiedades de los leptones (electrones, muones, mesones y sus neutrinos asociados). A diferencia de la fuerza nuclear fuerte en ésta no tienen presencia las resonancias que aparecían en aquella, por lo que el número de leptones es limitado.

Estas son las cuatro únicas fuerzas que actúan en la Naturaleza, nos debe maravillar su elementalidad, así como la simplicidad de los componentes de la materia, puesto que la forma corriente de materia, la del Sol, la de las estrellas, la de las galaxias, la del polvo interestelar, la de los planetas y la de nosotros mismos, se puede describir su existencia como constituida por sólo cuatro partícula fundamentales: quars “u”, quars “d”, electrones y fotones. También se puede considerar como partícula fundamental el neutrino electrónico, que se desconoce cual es su cometido, excepto en los primeros segundos del big bang, por lo que su existencia es como la de un fantasma.

También existen, como hemos dicho, otras muchas partículas conocidas como bariones que sólo pueden producirse en los laboratorios de física de altas energías o por los rayos cósmico. Todas ellas se desintegran, relativamente deprisa, en alguna de las cinco partículas citadas más arriba. Estas partículas no son integrantes de la materia.


Respecto a las interacciones fuertes, como ya hemos dicho, son las fuerzas que mantienen unidos a protones y neutrones en el núcleo atómico. No son familiares en la vida cotidiana porque su alcance es sumamente corto, aproximadamente diez billonésimas de cm. (10 elevado a menos 13 cm.). Esto hace que en las moléculas cuyos núcleos están a mayores distancias (10 elevado a menos 8 cm.), las interacciones fuertes entre los diversos núcleos practicamente no tienen ningún efecto. Las fuerzas químicas que mantienen unidos a los átomos de las moléculas son millones de veces más débiles que la fuerzas que unen protones y neutrones en los núcleos. igualmente, los electrones de los átomos y las moléculas tampoco responden a la fuerza nuclear fuerte. Si los electrones de los átomos y las moléculas respondieran a la fuerza nuclear no habríamos salido de los primeros instantes del universo.

Si para que el Universo existiera son precisas estas cuatro fuerzas y con el valor y alcance justos que tienen, fuerzas cuya existencia era necesaria desde el origen. ¿Quien las creó? ¿Estarían, ya, en aquellos primeros instantes, actuando el azar y la necesidad?