Introducción.

En el presente trabajo se tratará acerca de las cuatro interacciones fundamentales, que en física hace referencia a los cuatro campos cuánticos mediante los cuales interactúan las partículas.

Casi toda la historia de la física moderna se ha centrado en la unificación de estas interacciones, y hasta ahora la interacción débil y la electromagnética se han podido unificar en la interacción electrodébil. En cambio, la unificación de la fuerte con la electrodébil es el motivo de toda la teoría de la gran unificación. Y finalmente, la teoría del todo involucraría esta interacción electronuclear con la gravedad.

La comunidad científica prefiere el nombre de interacciones fundamentales al de fuerzas debido a que con ese término se pueden referir tanto a las fuerzas como a los decaimientos que afectan a una partícula dada.

En un inicio se utilizará de conocimientos previos a tener en cuenta, los portadores de la fuerza, los bosones, que interactúan con las partículas materiales, los fermiones, según el modelo estándar; para luego abocarnos al tema que nos concierne, las cuatro interacciones fundamentales.

LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES

La esencia última de la materia fue un problema que ya plantearon los antiguos filósofos griegos, y sin duda el que menos desencaminado anduvo de ellos fue Demócrito de Abdera, quien propuso que todo debería estar compuesto en última instancia de unos diminutas partículas indivisibles, denominadas átomos.

Hoy sabemos que, efectivamente todo está formado por partes minúsculas, y lo realmente importante es que cada vez es más patente que para comprender el Cosmos en toda su magnitud, resulta imprescindible profundizar en el conocimiento de sus partes más pequeñas, de las partículas fundamentales, las que se cree que son indivisibles y a partir de las cuales, de sus interacciones y de las leyes que las rigen, se espera alcanzar la teoría final que explique el funcionamiento del Universo.

Las herramientas que utilizan los científicos para estudiar estos corpúsculos son los aceleradores de partículas, conductos de varios kilómetros de longitud en los que se hace colisionar partículas a velocidades próximas a las de la de la luz. El resultado son explosiones y temperaturas superiores a las del interior del sol, donde aparece toda la fauna de partículas que compone el Cosmos

Cada partícula cuenta con características propias, como son la masa y la carga eléctrica, y se dividen en dos tipos principales: fermiones y bosones. Lo que decide a qué grupo pertenece cada partícula, viene definido por otra característica de cada una de ellas llamada espín.

ESPÍN

Para visualizar mentalmente el espín, se suele decir que es similar o equivalente a la manera en que se vería una partícula según va rotando. Es decir, si una partícula parece igual aunque gire sobre sí misma (imaginemos una esfera lisa y de color uniforme), se dice que tiene espín 0. Si tiene que dar un giro completo, de 360 grados, sobre sí misma para volverse a ver igual que al principio (si la esfera anterior tuviera un único y pequeño dibujo y comenzáramos a girarla, habría que completar la rotación para volver a verlo en la misma posición), el valor de su espín sería de 1. Del mismo modo, si sólo hubiera que darle medio giro, de 180 grados, (la esfera de antes con dos dibujos idénticos, uno a cada lado) tendría espín 2. Hasta aquí vamos bien y podemos imaginar multitud de objetos cotidianos que cumplirían con ello.

Pero en el mundo de las partículas elementales hay cosas más sorprendentes: por ejemplo, el espín del electrón tiene un valor de 1/2, lo que significa que tiene que dar dos giros sobre sí mismo para que volvamos a verlo como estaba al principio, antes de empezar a girar. Del mismo modo, hay partículas con espín 3/2, 5/2, etc.

El espín es fundamental porque define en gran parte cómo interactúan entre sí las partículas.

Así, ya podemos ver los dos grandes tipos de partículas.

FERMIONES

Los Fermiones, cuyo nombre se debe al físico Enrico Fermi, tienen la particularidad de que el valor de su espín nunca es un número entero. Se dividen en leptones y quarks

Leptones

La palabra proviene del latín leptos, que significa liviano, y los más típicos entre ellos son sin duda los electrones, los cuales orbitan alrededor del núcleo de los átomos y cuentan con carga eléctrica negativa. Los otros leptones son el muón, una partícula similar al electrón pero más pesada y de vida media ínfima, y el tauón, también parecido a lo anteriores pero aún más pesado y como el muón, con tendencia a desintegrarse.

Junto a estos tres encontramos otros tantos leptones, que se hallan asociados a ellos, el neutrino electrónico, el muónico, y el tauónico. Se llaman neutrinos por ser partículas con masa ínfima, muy posiblemente nula, y carga eléctrica neutra.

Quarks

Los quarks cuentan con mucha mayor masa que los leptones (aunque sigue siendo insignificante a nuestra escala cotidiana), y los físicos les han puesto unos curiosos nombres. Tenemos el quark abajo, el arriba, el extrañeza, el encanto, el belleza y el verdad. Y se designan respectivamente por las letras d, u, s, c, b y t (dado que en inglés les llaman down, up, strange, charmed, botton y top)

Tienen la particularidad de que no se encuentran aislados en la naturaleza, siempre se encuentran formando parte de otras partículas, entre las cuales las más típicas son el protón y elneutrón, los integrantes del núcleo de los átomos. Así, el protón está formado por dos quarks arriba y un quark abajo, y el neutrón por dos abajo y un arriba.

Los quarks pueden formar otras partículas más extrañas, que se desintegran rápidamente. Los corpúsculos formados por grupos de quarks se llaman bariones

Un inciso: la antimateria

Por otro lado, tanto quarks como leptones cuentan con partículas contrarias, pertenecientes a la llamada antimateria. Las partículas de antimateria, o antipartículas, tienen algunas características contrarias a sus equivalentes en materia ordinaria, por ejemplo, el positrón es la antipartícula del electrón, y a diferencia de éste cuenta con carga eléctrica positiva.

La antimateria es muy extraña en el Universo, puesto que se aniquila mutuamente con la materia, convirtiéndose ambas en radiación. En algún momento del principio de nuestro Universo la materia se impuso a la antimateria. Por lo demás, presenta características equivalentes a la materia, y se podría hablar perfectamente de antiátomos.

Con relación a esto, los quarks, pueden crear otros cuerpos llamados mesones, formados por un quark y un antiquark, extremadamente inestables, ya que, como

hemos explicado, materia y antimateria tienden a aniquilarse. Los mesones junto a los bariones constituyen el grupo de los hadrones.

BOSONES

Los bosones, cuyo espín siempre es un número entero, son los responsables de las interacciones que se producen entre todas las demás partículas, siendo intercambiados y produciendo como resultado fuerzas que ejercen su efecto de distinta forma:

El fotón es el responsable de la atracción y repulsión electromagnética.

Los gluones unen a los quarks entre sí y también los protones y neutrones.

Los gravitones están presentes en la fuerza de la gravedad

Los bosones W +, W - y Z 0 actúan en la llamada interacción débil, presente en la radioactividad, siendo el W -, la antipartícula del W +.

Podemos observar una enorme variedad de acontecimientos en la naturaleza, desde la caída de una hoja en otoño hasta la explosión de una supernova. Puede parecer que hay una gran disparidad de orígenes y explicaciones para entender tantos fenómenos y tan distintos como los que se dan en el Universo. Sin embargo, es aceptado por los científicos que todo puede ser descrito simplemente a partir de cuatro fuerzas fundamentales.

El hecho de que todo pueda ser explicado a partir de ellas no significa que en realidad se lleve a cabo. En primer lugar porque no hay aún una teoría unificada que abarque las cuatro fuerzas, y en segundo porque, aun cuando la haya, si es que los físicos dan con ella, tal vez las ecuaciones resultantes sean tan complejas que ni los mejores ordenadores podrán con ellas.

Estas cuatro fuerzas, o más propiamente llamadas por los científicos interacciones, se manifiestan mediante campos de ondas que ejercen efectos sobre las partículas, sobre los cuerpos e incluso sobre la energía. Además, como propuso Louis de Broglie a partir de trabajos previos de Einstein, todas las ondas se pueden estudiar como partículas y viceversa. Por tanto las cuatro interacciones también se manifiestan mediante un intercambio de partículas. Estas partículas son los bosones. 

Louis de Broglie

Veamos, de mayor a menor intensidad, cuáles son esas cuatro interacciones fundamentales.

INTERACCIÓN NUCLEAR FUERTE

Es la fuerza que obliga a los núcleos atómicos a permanecer unidos. El mes pasado vimos que los núcleos están formados por protones y neutrones, y estos a su vez por quarks. Pues bien, tanto los quarks entre sí como los neutrones y protones se mantienen pegados porque la interacción nuclear fuerte les obliga a ello.

La Interacción fuerte se manifiesta en los núcleos atómicos

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.

Esta fuerza tiene un alcance muy corto, alrededor de una billonésima de milímetro, de ahí que los núcleos atómicos tengan un escaso límite de tamaño. No hay átomos en la naturaleza cuyos núcleos cuenten con mucho más de 100 protones, porque si se acumularan demasiadas partículas el núcleo no aguantaría unido, se disgregaría en sus componentes empujado por otra de las fuerzas, la electromagnética.

INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Esta fuerza se puede contemplar como campos electromagnéticos o como intercambio de fotones, y son unas 100 veces más débiles que la fuerte. Es bastante más cotidiana que la anterior, puesto que todos hemos visto un imán en acción. Cuenta con la particularidad de que puede ser de dos tipos: positiva y negativa, de forma que cuando dos partículas cuentan con distinta carga se atraen y cuando coincide se repelen.

El principio de la brújula responde al electromagnetismo

Así, los átomos son posibles porque los protones de carga positiva y los electrones de carga negativa se atraen para formar los elementos químicos, con la inestimable ayuda, en lo que a los núcleos se refiere, de la fuerza nuclear fuerte anteriormente descrita.

A nivel aún más pequeño tenemos una vez los quarks, los cuales tienen carga electromagnética fraccionaria, con respecto a la unidad que sería la del protón y la del electrón, 1 y -1 respectivamente. El protón está compuesto por dos quarks con carga 2/3 y un quark con carga -1/3, sumando 1, mientras que el neutrón contiene dos quarks con carga -1/3 y uno con carga 2/3, sumando 0.

A nivel más grande, la interacción electromagnética no es de alcance restringido como la fuerte, y es la responsable de fenómenos a gran escala presentes en nuestra vida diaria, como la propagación de la luz, la corriente eléctrica o las señales de radio y televisión.

INTERACCIÓN NUCLEAR DÉBIL

Unos diez mil millones de veces más débil que la electromagnética y con un alcance aún menor que la interacción fuerte, esta fuerza la encontramos en los llamados fenómenos radiactivos de tipo beta, que no son otra cosa que desintegraciones de partículas y núcleos atómicos.

Para describir el fenómeno, hay referirse a los quarks. Un protón consta de dos quarks arriba y uno abajo, pues bien, la interacción nuclear débil provoca que uno de los quarks arriba se convierta en un quark abajo, de forma que el protón se transformará en un neutrón.

Este acontecimiento, aparentemente tan extraño, se está dando continuamente en el interior de estrellas como el Sol, y es de esperar que se pueda reproducir algún día cercano para obtener energía barata y limpia mediante fusión nuclear. También podemos observarlo en otro conocido fenómeno, la degradación del Carbono 14, famoso por su utilización en la datación de fósiles.

Se puede averiguar la fecha de un fósil gracias a la fuerza débil

La interacción nuclear débil, que se engendra mediante el intercambio de los bosones llamados W+, W- y Z0, restringe la materia estable a los consabidos protones y neutrones. Otras partículas más complejas se degradan inmediatamente por la actuación de esta fuerza.

INTERACCIÓN GRAVITATORIA

No hace falta una presentación muy extensa para esta última fuerza. La sentimos a cada instante al estar pegados a la Tierra. A pesar de lo que pueda parecer, es extremadamente débil. Su intensidad es aproximadamente, dicho en números redondos, 1000000000000000000000000000000 de veces menor que la interacción nuclear débil.

La gravedad nos pega a nuestro planeta

No obstante, en presencia de grandes acumulaciones de partículas, es decir, de cuerpos de gran masa, puede tener un efecto enorme, llegando a colapsar estrellas bajo la fuerza gravitatoria interna de su propia masa, dando lugar a los famosos agujeros negros y a las no tan famosas estrellas de neutrones.

Esta fuerza no tiene límite en su alcance, aunque su influencia se reduce según aumenta la distancia, como ya formuló Isaac Newton con su Ley de la Gravedad, una Ley que posteriormente fue mejorada por Einstein. Las ecuaciones de Newton no eran otra cosa que un caso particular de otras más generales. Ese caso particular es el de nuestra vida cotidiana, pero a escala mayor rige la Teoría General de la Relatividad.

Esto es el mayor reto para la física actual, puesto que las otras tres fuerzas se explican mediante la llamada Teoría Cuántica, y hay graves dificultades para unificar ambas teorías y conseguir una única que explique todo, los intentos para relacionar el bosón de la gravedad, el llamado gravitón, con los demás bosones no fructifican.

Bibliografía.

http://www.nodo50.org/arevolucionaria/masarticulos/febrero2004/cuatrofuerzas.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Interacciones_fundamentales

www.academia.edu/.../Interacciones_fundamentales_de_la_naturaleza