¿Qué son las cuatro fuerzas fundamentales de la física?

• La física actual entiende el concepto de fuerza como una interacción entre distintas partículas. 
• Existen cuatro interacciones fundamentales: la interacción débil, la fuerte, la gravedad y el electromagnetismo. 
• Cada una de estas interacciones fundamentales es llevada a cabo por partículas llamadas bosones: los bosones W y Z para la interacción débil, el gluon para la interacción fuerte, el fotón para el electromagnetismo y el gravitón para la gravedad.
• La interacción fuerte es la causante de que los núcleos de los átomos se mantengan unidos. 
• La interacción débil es la causa de que algunos elementos sean radioactivos. 
• La gravedad es la causa de que los objetos con masa se atraigan.
• Por último, la energía electromagnética es causante de los campos magnéticos y la electricidad. 

Lo primero que tenemos que entender es qué es una fuerza fundamental. La fuerza es un concepto central en la física desde la obra de Isaac Newton. La idea de fuerza es necesaria para entender por qué los cuerpos se mueven: por ejemplo, por qué un motor puede mover nuestros automóviles, o por qué la fuerza de gravedad nos atrae hacia el suelo cuando saltamos, o por qué un imán se queda pegado en nuestro refrigerador y se resiste a la fuerza de gravedad.

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¿Pero qué es una fuerza? Según Brian Koberlein, astrofísico y redactor de ciencia del Observatorio Nacional de Radioastronomía de los Estados Unidos, para el modelo estándar de la física de partículas (desconocido en la época de Newton) el término fuerza en realidad es un término impreciso. Para esta rama de la física, las fuerzas no son más que interacciones entre partículas. ¿Qué significa esto? 

Piense por un momento en qué significa el concepto fuerza. Usualmente, tendemos a usar este concepto cuando algo empuja o hala alguna cosa, o cuando se resiste justamente a estos dos procesos. Por ejemplo, podemos decir “qué fuerte este imán, no lo puedo despegar” o “Hulk era sumamente fuerte, podía cargar un tanque”.

Esta, sin embargo, no es la forma en que la ciencia contemporánea entiende el concepto de fuerza. Tomemos, por ejemplo, a la gravedad. Para la teoría de la relatividad general, la gravedad no es algo que nos hala hacia el planeta Tierra, sino que es una distorsión del espacio-tiempo. Esta distorsión hace que los cuerpos se muevan de la forma en que lo hacen: no hay nada que nos tire hacia abajo. Y, de hecho, esta distorsión no solo afecta el movimiento de los cuerpos, sino que produce otros efectos como la dilatación del tiempo, de lo que hablamos en nuestro informe de los agujeros negros. ¿Qué se entiende como fuerza entonces?

(Imagen de cómo la gravedad de la Tierra y el Sol distorsionan el espacio-tiempo – Fuente: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab)

Para la física actual, lo que normalmente entendemos como fuerzas en realidad son interacciones transmitidas por partículas y por campos asociados a estas partículas. Como la Enciclopedia Británica explica, hay cuatro interacciones fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la interacción fuerte y la interacción débil. Esta institución sostiene que todas las fuerzas de la naturaleza se pueden reducir a cuatro tipos de interacciones: estas gobiernan cómo los objetos o partículas subatómicas interactúan unas con otras.

Ahora, como explica el ya citado Koberlein, cada una de estas interacciones es llevada a cabo por partículas distintas llamadas bosones. Por ejemplo, los fotones son el bosón de la fuerza electromagnética y los gluones son el bosón de la fuerza nuclear fuerte y así con todas las demás fuerzas. Veamos detenidamente a cada una de ellas.

Jeremy Rehm, biólogo de la Universidad de California y escritor de Comunicaciones Espaciales del Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins, explica que la gravedad es la atracción entre dos objetos con masa o energía. Nada nuevo; todos hemos experimentado la gravedad cuando nos hemos caído al piso. Si bien la gravedad hace que los planetas, sistemas solares y galaxias se mantengan en sus órbitas, en realidad es la interacción menos fuerte de todas. 

Sin embargo, esta fuerza puede actuar a través de distancias infinitas. Un objeto en un extremo del universo puede afectar gravitatoriamente otro objeto en el otro extremo del universo. Ahora, cabe resaltar que, a mayor distancia, menos fuerza gravitatoria experimentarán los cuerpos.

(Fuente: Nasa)

Ahora, según Koberlein, la gravedad no es técnicamente parte del modelo estándar de la física de partículas. ¿Por qué? Porque aún no hemos encontrado una partícula relacionada con esta fuerza. Además, como explica el CERN, nadie ha logrado hacer un modelo matemático compatible entre la gravedad y las otras fuerzas; sin embargo, aun así, se asume que el gravitón es el bosón de esta fuerza. Se cree que esta partícula no tendría masa ni carga eléctrica y que viajaría por el espacio a la velocidad de la luz.

Esta es la fuerza que hace funcionar a nuestras computadoras y celulares: la energía que tenemos en los tomacorrientes de nuestra casa. Como explica Rehm, la fuerza electromagnética actúa entre partículas (como los protones o los electrones) cargadas positiva o negativamente. Las cargas opuestas se atraen, mientras que las cargas similares se repelen debido a esta fuerza. Más o menos como los imanes. Si nunca lo has visto, aquí te dejamos un video.

De hecho, esta interacción se llama electromagnética porque el magnetismo y la electricidad son dos caras del mismo tipo de fenómeno. ¿Cómo? La fuerza eléctrica actúa entre partículas cargadas: por ejemplo, en un cable de cobre conectado a una batería. La corriente eléctrica, que no son más que electrones moviéndose, al pasar por el cable produce un campo magnético. De esta manera podemos generar un electroimán.

Esta fuerza es la misma que produce que un globo se pueda quedar pegado a un suéter de lana. Inténtalo. Frota un globo contra una prenda de lana y verás que luego de un rato se queda pegado, tal y como se muestra en este video. ¿Por qué sucede esto? Porque al frotar el globo contra la tela, este se carga negativamente, mientras que la lana se carga positivamente. Dado que las cargas opuestas se atraen, el globo se queda pegado a la prenda.

Lo mismo sucede con los rayos de las tormentas eléctricas. Las nubes cargadas negativamente por frotarse unas con otras necesitan liberar esta energía a algún lado. Es por ello que un flujo de electrones surca el cielo de las nubes hacia la Tierra, que contiene protones cargados positivamente.

(Fuente: Pixabay)

Ahora, así como la gravedad tiene a los gravitones, la interacción electromagnética sucede por los fotones; estos son el bosón de este tipo de energía. La fuerza electromagnética se transfiere entre partículas cargadas a través del intercambio de fotones. Los fotones, asimismo, son los que hacen posible la existencia de los campos magnéticos. Estos últimos son campos compuestos por fotones que, en lugar de ser intercambiados entre partículas, son constantemente emitidos y re-absorbidos por los electrones.

Lo interesante es que los fotones son aquellas partículas que también nos permiten ver y son aquellas que nos sirven para calentar nuestra comida en los microondas o incluso sentir calor en los días soleados. Pero, además, esta fuerza genera fenómenos como la fricción o incluso que tu computadora no atraviese tu mesa y caiga, pues los electrones de la mesa repelen a los electrones de la computadora.

Mientras la gravedad y el electromagnetismo son cosas que experimentamos todos los días, las siguientes dos interacciones fundamentales son menos conocidas. La primera es la interacción fuerte o fuerza nuclear fuerte. Como explica Rehm, de las 4 interacciones fundamentales esta es la más fuerte de todas. 

Pero ¿qué es lo que hace esta interacción fundamental? Básicamente, esta fuerza permite que tú y yo existamos. Sin esta fuerza, no habría átomos. Vayamos por partes. Primero, debemos saber que los átomos pueden ser divididos en tres partes constitutivas: neutrones, protones y electrones. Los protones y neutrones forman el núcleo del átomo, como podemos ver en la imagen de abajo, mientras que los electrones orbitan este núcleo.

Ahora, cada una de estas partes está asociada a un tipo de carga eléctrica (sí, carga electromagnética). Los protones tienen carga positiva, los electrones negativa y los neutrones no tienen carga. De esta manera, los electrones se mantienen orbitando al núcleo porque son atraídos por la carga positiva de los protones. Obvio; las cargas opuestas se atraen por la interacción electromagnética, como vimos en la sección anterior. Sin embargo, ahora tenemos un problema. ¿Cómo es posible que el núcleo esté conformado por protones agrupados si estos tienen la misma carga (positiva)? ¿No deberían repelerse por la fuerza electromagnética?

De hecho sí. Sin embargo, la interacción fuerte, explica Rehm, mantiene a los protones y neutrones del núcleo de los átomos juntos. Pero, además, también mantiene unidas a las partículas que componen los protones y los neutrones: los quarks. Si quieres saber más sobre cómo sucede esto, te dejamos este video que lo explica. Las particulas que hacen posible la fuerza nuclear fuerte son los gluones. De hecho, se llaman gluones porque en inglés «glue» significa pegamento. Como indican los físicos Anthony Hey y Patrick Walters en su libro «The New Quantum Universe«, los gluones son «el pegamento que mantiene todo junto».

Por último, pero no menos importante, tenemos la fuerza nuclear débil. Esta es la interacción entre partículas que produce que las partículas de los átomos (protones, neutrones y electrones) se conviertan en otras partículas. Por ejemplo, según Rehm, cuando un neutrino se acerca a un neutrón, este puede transformar al neutrón en un protón, mientras que el neutrino se convertirá en un electrón. ¿Cómo sucede esto?

Esto sucede por la interacción de las partículas con los bosones de la interacción débil: los bosones W y Z. El canal Scishow nos pone el siguiente ejemplo. Los neutrones, explica Scishow, están hechos de un up quark y dos down quarks (no te preocupes si no sabes lo que significa; lo importante es que son dos tipos de estados distintos de los quarks). Por otro lado, los protones son lo inverso: dos up quarks y un down quark.

Ahora, digamos que un neutrino pasa cerca de un neutrón. Un bosón W viajaría del neutrino al neutrón: esto es justamente la interacción débil. El neutrino, al perder al bosón, se convertiría en un electrón. Luego, el bosón W, al llegar al neutrón, convertiría un down quark en un up quark, produciendo que este se vuelva un protón. De esta manera, al cambiar la composición del núcleo del átomo, este se transformaría en un elemento distinto. 

Justamente esto nos permite usar técnicas como las del carbono-14 para medir la antigüedad de objetos orgánicos. El átomo de carbono-14 tiene seis protones y ocho neutrones. Debido a la interacción débil, este átomo decae a nitrógeno-14, con siete protones y ocho neutrones (un neutrón se vuelve un protón). Ahora, los científicos pueden datar la edad de un espécimen orgánico calculando la concentración de carbono-14 en él. A medida que pase el tiempo, menos carbono-14 se encontrará, pues este se habrá convertido en nitrógeno-14.

ENTÉRATE DE MÁS: El Gran Colisionador de Hadrones: detectando los cimientos de existencia 

En las últimas semanas, se publicó un estudio que parece indicar el descubrimiento de una nueva interacción fundamental. Si quieres enterarte más de ello, puedes revisar nuestro informe sobre la posible quinta fuerza fundamental.