Ciencia

Las 4 fuerzas fundamentales del Universo (y sus características)

La naturaleza está regida por las interacciones entre las fuerzas fundamentales: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte. Veamos en qué consiste cada una de ellas.
Fuerzas fundamentales universo

En el Universo, todo (o casi todo) puede describirse mediante leyes físicas. Y en nuestro afán por descubrir los fenómenos físicos que rigen el comportamiento de la naturaleza, nuestra concepción acerca de las fuerzas que interactúan sobre aquello que nos rodea ha ido cambiando.

Ya desde tiempos antiguos, sabíamos que tenía que haber algunas fuerzas que lo controlaran todo. Y en la antigüedad se creía que estas eran el agua, el fuego, la tierra y el aire. Por suerte, la física ha ido evolucionando y, hoy en día, sabemos que no son estos elementos los que rigen el funcionamiento de la naturaleza, sino las conocidas como fuerzas o interacciones fundamentales.

Estas fuerzas son el pilar del Universo. Todo lo que tiene lugar en él responde a la aplicación de alguna de estas fuerzas sobre la materia que nos rodea. Absolutamente todo. Desde la explosión de una estrella hasta nuestro teléfono cargándose de batería a través de la corriente eléctrica, responde a alguna de las cuatro fuerzas fundamentales.

Estas interacciones son la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte. Y en el artículo de hoy las analizaremos individualmente, entendiendo perfectamente qué implicaciones tienen, sobre qué partículas actúan y qué procesos físicos estimulan. Vamos allá.

¿Qué es una fuerza o interacción fundamental?

El término “fuerza” puede tener muchas connotaciones distintas. Y si eres fan de Star Wars, tiene una muy clara. Pero hoy no nos centraremos en esta, sino en la que nos da la física. Y antes de entender qué es una fuerza fundamental, debemos familiarizarnos con el concepto de fuerza a secas.

En Física, una fuerza es todo aquel agente que tiene la capacidad de modificar el estado en el que se encuentra otro objeto material. Esto engloba alteraciones en el movimiento, modificación de propiedades químicas, modificaciones de temperatura, incremento o disminución de su energía… Es decir, es una interacción que permite a un cuerpo deformar el estado (físico o químico) de otro objeto.

Y solo tienes que detenerte a pensar para ver que absolutamente todo lo que sucede a nuestro alrededor es debido a la aplicación e interacción de fuerzas. La fuerza normal (la que hace un cuerpo que está apoyado en otro), la fuerza aplicada (cuando movemos algo), la fuerza elástica, la electricidad, la tensión, la resistencia, la inercia, la fuerza entre moléculas…

Todo lo que pasa en el Universo pasa porque hay fuerzas interaccionando entre ellas. Punto. Esto es muy sencillo de comprender, sí, pero el reto vino cuando los físicos se propusieron encontrar el origen de estas fuerzas. Y es que, de acuerdo, tú sentado en una silla estás haciendo fuerza contra ella. Pero, ¿de dónde viene exactamente esta fuerza? ¿Qué la genera? Los físicos querían encontrar cuál era la fuerza (o fuerzas) que permitían la existencia de todas las otras fuerzas.

En otras palabras, iban en búsqueda de que aquellas fuerzas de la naturaleza que no se pudieran explicar en función de otras fuerzas más básicas. Teníamos que llegar al origen de las fuerzas. Y para llegar al origen, teníamos que irnos hasta lo más pequeño del Universo: las partículas subatómicas.

Interacciones fundamentales

Si la materia está compuesta por átomos y las unidades más pequeñas de los átomos son las partículas subatómicas (hasta que no confirmemos la teoría de cuerdas), la respuesta tenía que encontrarse en ellas. Y así fue, si nos vamos hasta la materia más fundamental del Universo, encontraremos también las fuerzas más fundamentales del Universo.

Descubrimos, pues, que en función de qué partícula esté involucrada y de qué forma se comporte, habrá un tipo de interacción concreta entre ellas, pudiendo ser solo la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte.

Aun así, seguimos teniendo problemas para unificar estas cuatro fuerzas fundamentales (el principal problema es la gravitatoria, pues no encaja con nuestros modelos actuales). Es por esta razón que el siguiente gran objetivo de los físicos es elaborar la conocida como Teoría del Todo, que busca la unificación en un único marco de las cuatro leyes fundamentales.

¿Cuáles son las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza?

Como hemos visto, las fuerzas fundamentales son interacciones entre partículas subatómicas que dan lugar a cambios en su estado y que derivan en las manifestaciones de todas las fuerzas secundarias del Universo. Veamos ahora cuáles son estas interacciones fundamentales.

1. La gravedad

La gravedad es, seguramente, la fuerza fundamental más famosa. Pero es, a la vez, la que más dolores de cabeza provoca en los físicos. ¿Por qué? Muy sencillo: todavía no hemos encontrado la partícula responsable de ella. Mientras que las otras, como veremos, sabemos que se deben a las interacciones bosónicas (por bosones), la gravedad no responde a la teoría de partículas.

¿Qué es lo que transmite la gravedad entre galaxias separadas por miles de años luz? ¿Por qué los cuerpos con masa se atraen? ¿Qué es lo que genera la atracción? Se ha hipotetizado la existencia de una partícula conocida como gravitón, la cual sería una partícula subatómica que no tendría ni masa ni carga eléctrica y que viajaría por el espacio a la velocidad de la luz. Pero, por el momento, esto es solo una hipótesis.

Aun así, el concepto de gravedad es bastante sencillo. Simplemente, es la atracción que existe entre dos cuerpos con masa. Es en el origen de esta atracción que está la pesadilla de los físicos, pero la fuerza en sí es muy simple de comprender.

La fuerza gravitatoria está determinada tanto por la masa de los dos cuerpos como por la distancia entre ellos. Nosotros mismos, al ser seres con masa, generamos un campo gravitatorio a nuestro alrededor. El problema es que su influencia queda “tapada” por el de la Tierra.

Como bien sabemos, la fuerza de la gravedad es lo que mantiene a los planetas girando alrededor de sus estrellas, a los satélites girando alrededor de sus planetas, a las propias estrellas girando alrededor del núcleo de la galaxia e incluso a las galaxias formando cúmulos en el espacio. Es la fuerza que da cohesión al Universo. Y, aun así, es la más débil de todas. De lejos. Basta con ver el poco esfuerzo que tienes que hacer para levantar un objeto que, aunque no lo parezca, está siendo atraído por toda la fuerza gravitatoria de la Tierra.

Gravedad

2. La fuerza electromagnética

La fuerza electromagnética puede sonar más compleja, pero lo cierto es que no lo es tanto (al menos, al nivel que podemos tratarlo aquí). Básicamente, es la interacción que se da entre partículas cargadas eléctricamente de forma positiva o negativa. Todas las partículas con carga eléctrica la experimentan, incluidos, claro, protones (carga positiva) y electrones (carga negativa).

El principio de funcionamiento de esta fuerza es muy simple: partículas de cargas opuestas se atraen, mientras que las de cargas similares o iguales se repelen. Piensa en un imán. Pues eso. El magnetismo y la electricidad quedan unidas a través de esta fuerza, la cual es responsable de infinidad de sucesos. Desde los rayos en las tormentas hasta el funcionamiento de tu ordenador.

Pero, ¿qué partículas son responsables de esta fuerza? Bueno, comos ya hemos introducido, son los fotones los que hacen posible la existencia de campos magnéticos. Los fotones son un tipo de bosón (las partículas responsables de todas las interacciones, excepto la gravedad) que podemos entenderlas como las partículas de la luz. Por lo tanto, los fotones, además de la fuerza electromagnética, permiten la existencia del espectro de ondas donde se encuentra la luz visible, los rayos gamma, los infrarrojos, las microondas, etc.

Electromagnetismo

3. La fuerza nuclear débil

La fuerza nuclear débil recibe este nombre porque es menos intensa que la nuclear fuerte, pero sigue siendo más intensa que la gravitatoria. Ahora bien, ¿qué es? Bueno, entramos en terrenos un poco más complejos.

Esta interacción fundamental es la fuerza que permite que las partículas que constituyen a los átomos (protones, neutrones y electrones) se desintegren en otras partículas subatómicas. Un neutrino (conocidos como partículas fantasma), al acercarse a un neutrón, puede hacer que este se convierta en un protón por efecto de esta fuerza nuclear débil.

En otras palabras, la fuerza nuclear débil es aquella que permite la desintegración beta de los neutrones. Pero, ¿qué partículas permiten esto? Paso a paso. No se trata de una fuerza gravitatoria, así que sabemos que se debe a las interacciones entre bosones. Eso lo facilita todo. En este caso, los bosones responsables de esta fuerza no son los fotones, sino los conocidos como bosones W y bosones Z.

Imaginemos que un neutrino está viajando cerca de un neutrón. En ese momento, un bosón W se trasladaría desde el neutrino al neutrón. Ahí está la interacción débil. El neutrón atrae el bosón W del neutrino. Este neutrino, al perder un bosón, se convertiría en un electrón. Y el neutrón, al ganar un bosón, se convertiría en un protón.

Fuerza nuclear débil

4. La fuerza nuclear fuerte

Si con la anterior has pensado que qué influencia tiene en tu vida, no te preocupes. Mientras que la gravedad y el electromagnetismo los experimentamos a diario, las fuerzas nucleares, tanto la débil como la fuerte que ahora veremos, pasan desapercibidas. Aun así, esta fuerza nuclear es muy importante.

De todas las cuatro fuerzas fundamentales, esta es la más fuerte de todas. Y aunque pase desapercibida, es la que permite que la materia exista. ¿Por qué? Básicamente porque esta fuerza es el “pegamento” de los átomos. Es la fuerza que permite la integridad del núcleo atómico, haciendo que los protones y los neutrones se mantengan en el centro de los átomos.

Y es que si hemos entendido la fuerza electromagnética, hay una cosa que deberíamos preguntarnos: ¿Cómo es posible que los protones, si tienen una misma carga eléctrica (positiva), no se repelan entre ellos? Pues precisamente por esta fuerza nuclear fuerte, cien veces más intensa que la electromagnética pero de menor alcance.

La fuerza nuclear fuerte se debe a los gluones, un tipo de bosones portadores de esta interacción, la cual hace que, a pesar de las repulsiones electromagnéticas en el núcleo del átomo, los protones y los neutrones se mantengan unidos en él.

Fuerza nuclear fuerte
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