El concepto de fuerza es un concepto que todos entendemos y usamos, tanto en la vida cotidiana como cuando hablamos sobre cuestiones científicas. Por ejemplo, todos entendemos la frase «Raúl no tiene mucha fuerza» o «El Sol posee una gran fuerza gravitacional». Pero ¿en qué consiste realmente una fuerza? Tan pronto nos pongamos a pensar en esta pregunta, veremos que no es tan fácil de responder. Por ello, en el siguiente video te contaremos como explica la ciencia la idea de fuerza.
La física actual entiende el concepto de fuerza desde la teoría de la mecánica cuántica. Según esta teoría, todas las fuerzas que hemos encontrado pueden entenderse como interacciones entre distintas partículas.
Pero ¿qué significa esto? Después de todo, por lo general asociamos la palabra fuerza a interacciones entre objetos grandes, como planetas o máquinas capaces de mover objetos muy pesados. Sin embargo, aunque no lo creas, todo esto se puede reducir a la interacción de pequeñas partículas con otras pequeñas partículas. Veamos.
Hasta este momento, la ciencia ha encontrado cuatro fuerzas o interacciones fundamentales: la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Que sean fundamentales quiere decir que todas las fuerzas que hemos encontrado en la naturaleza se pueden reducir a este grupo de cuatro interacciones.
Ahora, cada una de estas interacciones son causadas por un tipo específico de partícula subatómica a las que llamamos bosones. La fuerza electromagnética es causada por los fotones; la fuerza nuclear fuerte, por los gluones; la fuerza débil, por los bosones Z y W; y, por último, la gravedad por el teorizado gravitón. Veamos un poco más de cerca cada una de estas fuerzas.
Empecemos por una de las más conocidas: la fuerza electromagnética. Esta es la fuerza causante de que nuestros celulares y computadoras funcionen, así como todas aquellas cosas que conectamos a nuestros tomacorrientes. Pero ¿en qué sentido esta fuerza es una interacción entre partículas? Veamos.
La fuerza electromagnética es una interacción entre partículas eléctricamente cargadas, como los electrones y los protones. Recordemos que los átomos están compuestos por tres tipos de partículas: los protones, los neutrones y los electrones. Los protones tienen carga eléctrica positiva, mientras que los electrones tienen carga eléctrica negativa.
Ahora, la fuerza electromagnética consiste en que las partículas con cargas opuestas se atraen, mientras que las partículas con cargas similares se repelen. Pero, ¿cómo ocurre esto? Veamos un ejemplo simple.
Imaginemos que dos electrones se acercan poco a poco. Al acercarse, estos empiezan a intercambiar fotones cambiando su trayectoria a medida que lo hacen. Así, esta interacción provocará que se muevan uno opuesto al otro. Esto es similar a lo que sucede cuando una persona lanza una pelota desde una patineta a otra persona. De hecho, si no nos crees, puedes probarlo
Si bien los fenómenos electromagnéticos pueden ser mucho más complejos, en el fondo todos se reducen a la interacción de partículas eléctricamente cargadas con fotones, ya sean fenómenos eléctricos o magnéticos.
Veamos ahora dos fuerzas no muy conocidas por todos: la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. La primera de ellas, aunque no sea muy conocida, es una de las más importantes. De hecho, si no existiera esta interacción, nosotros no estaríamos acá.
En simple, la fuerza nuclear permite la existencia de átomos. Pero, vayamos por partes. Como te mencionamos, los átomos están formados por protones, neutrones y electrones. Todos los átomos tienen un núcleo, el cual está formado por protones y neutrones. De hecho, el número de protones que contiene un átomo determina su elemento. Así, un átomo con un protón es un hidrógeno y otro con dos protones es un átomo de helio.
Pero ¿no detectas un problema con el átomo de helio? Este está compuesto por dos protones, los cuales son partículas con carga eléctrica positiva. Al tener el mismo tipo de carga, entonces deberían repelerse, tal y como te lo explicamos con el ejemplo de los electrones. Sin embargo, estos se mantienen unidos. Pero ¿cómo es posible esto?
Esto es posible gracias a la fuerza nuclear fuerte y a su bosón: el gluón. La interacción entre los gluones, los protones y los neutrones permite que el núcleo de los átomos permanezca unido a pesar de que la fuerza electromagnética intente separar a los protones de otros protones.
De hecho, a diferencia del electromagnetismo y la gravedad que pierden fuerza a medida que los objetos que interactúan se alejan, con la interacción fuerte es al revés. Mientras más se alejen dos protones, más fuerte se empiezan a atraer, como si hubiera un resorte entre ellos que, a medida que se estira, más fuerte los jala. Así, sin esta interacción, no sería posible la existencia de átomos y con ello la existencia de planetas, estrellas y seres vivos.
Luego, tenemos a la interacción débil o fuerza nuclear débil. Esta interacción entre partículas es la responsable de fenómenos como la fusión de átomos en las estrellas y de la radiación. En simple, esta interacción produce que ciertas partículas, como los protones y neutrones, se conviertan en otras partículas.
Por ejemplo, puede cambiar un protón a un neutrón, o un neutrón en un protón. Y, como mencionamos, el número de protones de un átomo determina de qué elemento se trata. Por lo que la interacción débil es fundamental para la creación de nuevos elementos. Pero ¿cómo ocurre esto?
Esto sucede de la siguiente manera. Por ejemplo, cuando un neutrino, un tipo de partícula subatómica, pasa cerca de un neutrón, este emite un bosón W hacia el neutrón. Al juntarse, estos interactúan y el neutrón pasa a convertirse en un protón. Dado que el número de protones determina de qué elemento es un átomo, la interacción débil es capaz de transformar un elemento en otro.
Por último, tenemos a la gravedad. Esta fuerza es la causante de que los objetos con masa, como la Tierra y la Luna se atraigan. Además, es la que mantiene a las estrellas agrupadas en galaxias y a los planetas del Sistema Solar orbitando y puede actuar a través de distancias infinitas, lo que significa que un objeto en un extremo del universo afecta gravitatoriamente a los demás objetos del otro extremo del universo, no importa qué tan lejos estén. Sin embargo, aunque parezca una fuerza muy poderosa, en realidad es la interacción menos fuerte de todas.
Ahora, es importante saber que la gravedad aún no tiene una explicación desde la mecánica cuántica. ¿Por qué? Porque aún no hemos encontrado una partícula relacionada con esta fuerza.
Además, como explica la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), nadie ha logrado hacer un modelo matemático compatible entre la gravedad y las otras fuerzas; sin embargo, por el momento, 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.
Así, estas son las cuatro fuerzas fundamentales que han descubierto los científicos hasta este momento. Como vemos todas ellas son explicadas actualmente como una interacción entre distintos tipos de partículas, salvo la gravedad.
