Que las fuerzas te acompañen!

Seguramente te es familiar y probablemente conoces de primera mano las consecuencias de una caída, ya sea de un objeto (dígase teléfono, vaso, llaves, etc.), o de nosotros mismos; el efecto es esencialmente el mismo, un desplazamiento del objeto seguido por un abrupto y, si nosotros somos dicho objeto, doloroso frenado, con diferentes resultados dependiendo del objeto.

Estos eventos son la consecuencia correspondiente a una fuerza física fundamental, la gravedad. Actuando como una fuerza de atracción entre dos masas en estos casos; en el escenario descrito, la masa de la tierra y la masa del objeto. Esta fuerza literalmente atrae al objeto hacia el centro de gravedad, en este caso de la tierra. Y por esta razón necesitamos aplicar energía adicional para contrarrestarla, tal como del esfuerzo que hacemos al subir unas escaleras, o la energía para que un avión pueda volar, mediante la combinación del impulso por la energía térmica que generan las turbinas y el levante aerodinámico del avión. Esta es tambien la fuerza que provoca la sensación de peso, que es realmente la gravedad de la tierra actuando en la masa de un objeto. Y de una manera más coloquial, es la fuerza de la acción de la gravedad lo que nos regresa al piso, cada vez que saltamos.

Bueno esto suena interesante, pero si hablamos de “fuerzas” (en plural), ¿cuáles son las otras?

Hay cuatro diferentes fuerzas fundamentales que actúan en el universo, y todas las interacciones de la materia están relacionadas con ellas. Estas son la comentada fuerza de gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Así que toda interacción y efecto físico que conocemos en alguna forma está relacionado con estas.

Electromagnetismo

La otra fuerza de la que estamos más conscientes y con la que interactuamos en todo momento, aparte de la fuerza de gravedad es la aún más familiar fuerza electromagnética, también parte de nuestra vida diaria. La luz del sol, la de una lámpara, el televisor de casa y las pantallas de los teléfonos celulares emiten energía electromagnética en forma de luz visible; si, la luz visible es un tipo de emisión electromagnética. La fuerza electromagnética, o como es mejor conocida, la luz, tiene interesantes propiedades como lo es estar formada por la combinación de dos campos (o efectos a distancia), un campo eléctrico y un campo magnético, y también por tener una velocidad de propagación fija de 300 mil Kilómetros por segundo.

Onda electromagnetica (wikimedia.org)

Pero su propiedad más relevante es su frecuencia, la frecuencia es la periodicidad en que una onda se repite (o la distancia entre crestas), y es medida en ciclos por segundo o “Hertz”. Esta propiedad es la que permite que tengamos, o mejor dicho, distingamos diferentes colores; claro, basado en como nuestros ojos funcionan. Básicamente, los diferentes colores que percibimos son simplemente la misma manifestación de esta fuerza, pero con diferente frecuencia, yendo desde el rojo, (de frecuencia más baja), al Violeta (de más alta frecuencia). Mas esta fuerza abarca mucho más que la luz visible, casos como las redes de comunicaciones inalámbricas usan también esta fuerza, pero en frecuencias más bajas que la luz visible, por lo que no podemos percibirlas. Mas si pudiéramos, veríamos que las antenas de las estaciones de radio, o las torres de telecomunicaciones o incluso nuestros teléfonos celulares se verían tal como brillantes lamparas de luz de microondas.

El espectro electromagnético, o el mapa de todos los tipos de luz, varía desde el rango de la luz de ultra baja frecuencia, a las mencionadas ondas de radio y microondas, la luz infrarroja, usada en la mayoría de controles remotos, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X, usados para tomar radiografías, y finalmente los rayos gama. Dependiendo de su frecuencia la fuerza electromagnética porta mayor energía entre más alta es su frecuencia; por ejemplo, la luz infrarroja es menos energéticas que la luz ultravioleta, y la de esta es menor que la de los rayos gama. La luz ultravioleta por ejemplo, es la causante de que suframos quemaduras en la piel por exposición prolongada a la luz del Sol sin la protección apropiada, pero este tipo de daño se considera menor comparado con los efectos de los rayos gama, que son extremadamente dañinos para los seres vivos, dañando la estructura de las células.

La fuerza electromagnética también se considera una fuerza de largo alcance, lo que significa que el efecto de fuerza electromagnética no tiene límite de distancia, más está sujeto a la ley del cuadrado inverso, lo que significa que su fuerza disminuye o se hace más difusa a medida que nos alejamos de la fuente; Es por esto que podemos ver la luz de estrellas y galaxias que están muy lejos de nosotros, más recibimos su luz con muy poca intensidad.

Ley del cuadrado inverso (wikipedia.org)

Fuerzas nucleares

Bueno, ahora exploremos un poco sobre las dos fuerzas pendientes; la fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo del átomo, esta es una fuerza extremadamente… ¿fuerte? Y a diferencia de la fuerza electromagnética, esta es de muy corto alcance, actuando en distancias del orden del diámetro del núcleo del átomo, y es tambien la fuerza que mantiene juntos a los quarks, que son las partículas fundamentales que forman los protones y neutrones; esta fuerza contrarresta la acción de repulsión de Coulomb de los protones, dada su carga positiva (sabiendo que cargas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen).

La fuerza nuclear débil por su parte es la que controla el decaimiento de partículas sub-atómicas y que determina la radioactividad de ciertos elementos. El llamada decaimiento beta (“beta decay”), es el proceso por el cual un neutrón se transforma en un protón, liberando un electrón y un “electrón-neutrino”, otra partícula fundamental; que veremos en detalle en un futuro artículo.

Beta decay (physicslight.wordpress.com)

La mayor distinción entre estas dos fuerzas nucleares es que la fuerza nuclear fuerte es la base para formar materia al contrarrestar la repulsión de carga y la decaimiento de los neutrones; Más en cambio, la generación de energía en las estrellas se basa en la fusión de atomos de Hidrógeno, más el proceso se basa en el mencionado de decaimiento beta, para poder formar elementos más pesados, en este caso Helio, liberando grandes cantidades de energía en el proceso. Esta fuerza también está involucrada en la fisión nuclear, que es el proceso de división del núcleo de ciertos átomos pesados, y la fuente de la radioactividad, siendo este el método utilizado para generar energía en plantas nucleares mediante el uso de Uranio.

Es interesante comparar la energía que implica cada una de estas fuerzas, por ejemplo, un rayo láser, que es energía electromagnética en forma de luz coherente y reforzada de una longitud de onda específica, puede ser bastante enérgetico, como en el caso de algunos lasers utilizados en la industria para cortar metales; este tipo de energía es más fuerte que la de los procesos de fisión nuclear. Pero esta no se compara con las fuerza nuclear fuerte que mantienen unido el núcleo del átomo. Esta fuerza es cien veces más fuerte que la fuerza electromagnética. 

Partículas

Basado en el mencionado modelo estándar de partículas, para cada una de estas fuerzas se considera una partícula asociada que la transmite. Entre las ya probadas experimentalmente, está el famoso fotón, que es el portador de la fuerza electromagnética, después tenemos al gluon, partícula portadora de la fuerza nuclear fuerte, y que mantiene juntos a los quarks que forman neutrones y protones, siempre en grupos de tres; y finalmente los llamados Bosones W y Z, que son los que transiten la fuerza nuclear débil permitiendo en el cambio o transmutación de un quark, y en el proceso provocando que un neutrón se transforme en un protón.

En el caso de la gravedad, se ha teorizado el gravitón como la partícula que transmite la fuerza de gravedad, mas esta no se ha probado experimentalmente y es uno de los grandes problemas de la física moderna, dado que esta fuerza no está asociada al mencionado modelo estándar de partículas; un gran vacío ciertamente. Pero ¿Por qué no se puede detectar esta partícula? Bueno, un gran factor es que la fuerza de gravedad es extremadamente débil, tanto que la podemos contrarrestar cotidianamente en ciertas acciones. Por ejemplo, cuando sostenemos un libro o una taza de café, estamos contrarrestando la fuerza de gravedad que actúa en ellos. La gravedad es solo perceptible una vez que se acumula una gran cantidad de masa, como en el caso de la tierra. Si consideramos, por ejemplo, la superficie de la Luna, claramente menos masiva que la tierra, esta fuerza es mucho menor. El peso de un objeto en la Luna es de solo de alrededor del 16% de lo que es en la tierra, y es por lo que los astronautas que la visitaron podían hacer estos grandes saltos, aun con todo el equipo que llevaban consigo. Así que, si se necesita de una masa del tamaño de un planeta para poder sentir el efecto de esta fuerza, a nivel atómico es entonces, extremadamente baja y muy difícil de detectar y distinguir sus partículas fundamentales.

Por ejemplo, si comparamos la fuerza de gravedad con la fuerza electromagnética, esta es cuarenta órdenes de magnitud más débil. ¿Mas que significa esto? Bueno, si comparamos dos cantidades, digamos uno vs. un millón, este último es seis ordenes de magnitud más grande que el número 1, dado que el número que representa a un millón tiene seis ceros. Así que imagina ahora una cantidad con 40, estos son muchos ceros de diferencia…, ¡y de los que cuentan! Así de débil es la fuerza de gravedad.

Saludos, Alex – ScienceKindle.