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Las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza

Las cuatro fuerzas fundamentales subyacen a cada interacción en el universo.
Imagen: © sakkmesterke / Shutterstock

Desde caminar por la calle, lanzar un cohete al espacio, pegar un imán en su refrigerador, las fuerzas físicas están actuando a nuestro alrededor. Pero todas las fuerzas que experimentamos todos los días y muchas de las que no nos damos cuentaexperiencia todos los días se puede reducir a solo cuatro fuerzas fundamentales :

  1. Gravedad.
  2. La fuerza débil.
  3. electromagnetismo.
  4. La fuerza fuerte.

Estas se denominan las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y gobiernan todo lo que sucede en el universo.

gravedad

gravedad es la atracción entre dos objetos que tienen masa o energía, ya sea que se vea al dejar caer una roca desde un puente, un planeta que orbita una estrella o la luna causando mareas oceánicas. La gravedad es probablemente la más intuitiva y familiar de las fuerzas fundamentales, pero también ha sido uno de los más difíciles de explicar.

Isaac Newton fue el primero en proponer la idea de la gravedad, supuestamente inspirada por una manzana que cae de un árbol. Describió la gravedad como una atracción literal entre dos objetos. Siglos más tarde, sugirió Albert Einstein, a través de su teoría de la relatividad general , que la gravedad no es una atracción o una fuerza. En cambio, es una consecuencia de los objetos que se doblan el espacio-tiempo. Un objeto grande funciona en el espacio-tiempo un poco como una bola grande colocada en el medio de una hoja afecta ese material, deformándola y haciendo que otros objetos más pequeños de la hoja caigan hacia el centro.

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Aunque la gravedad contiene planetas, estrellas, sistemas solares e incluso galaxias en conjunto, resulta ser la más débil de las fuerzas fundamentales, especialmente en las escalas molecular y atómica. Piénselo de esta manera: ¿Qué tan difícil es levantar una pelota del suelo? ¿O levantar el pie? OTodas esas acciones contrarrestan la gravedad de toda la Tierra. Y a nivel molecular y atómico, la gravedad casi no tiene ningún efecto en relación con las otras fuerzas fundamentales.

La fuerza débil

El fuerza débil , también llamada interacción nuclear débil, es responsable de la desintegración de partículas. Este es el cambio literal de un tipo de partícula subatómica a otro. Entonces, por ejemplo, a neutrino que se aleja cerca de un neutrón puede convertir el neutrón en un protón mientras que el neutrino se convierte en un electrón.

Los físicos describen esta interacción mediante el intercambio de partículas portadoras de fuerza llamadas bosones. Tipos específicos de bosones son responsables de la fuerza débil, la fuerza electromagnética y la fuerza fuerte. En la fuerza débil, los bosones son partículas cargadas llamadas bosones W y Z.Cuando las partículas subatómicas, como los protones, neutrones y electrones, se encuentran a menos de 10 ^ -18 metros, o el 0,1% del diámetro de un protón, entre sí, pueden intercambiar estos bosones. Como resultado, las partículas subatómicas se desintegran en nuevas partículas,de acuerdo a sitio web de HyperPhysics de la Universidad Estatal de Georgia .

La fuerza débil es fundamental para las reacciones de fusión nuclear que alimentan al sol y producen la energía necesaria para la mayoría de las formas de vida aquí en la Tierra. También es la razón por la que los arqueólogos pueden usar carbono-14 para fechar huesos, madera y otros artefactos antiguos.El carbono 14 tiene seis protones y ocho neutrones; uno de esos neutrones se desintegra en un protón para producir nitrógeno 14, que tiene siete protones y siete neutrones. Esta desintegración ocurre a un ritmo predecible, lo que permite a los científicos determinar la antigüedad de tales artefactos.

La fuerza débil es crítica para las reacciones de fusión nuclear que dan energía al sol y producen la energía necesaria para la mayoría de las formas de vida aquí en la Tierra. Crédito de la imagen: Shutterstock

fuerza electromagnética

La fuerza electromagnética, también llamada fuerza de Lorentz, actúa entre partículas cargadas, como electrones cargados negativamente y protones cargados positivamente. Las cargas opuestas se atraen entre sí, mientras que las cargas iguales se repelen. Cuanto mayor es la carga, mayor es la fuerza.gravedad, esta fuerza se puede sentir desde una distancia infinita aunque la fuerza sería muy, muy pequeña a esa distancia.

Como su nombre lo indica, la fuerza electromagnética consta de dos partes: la fuerza eléctrica y la fuerza magnética . Al principio, los físicos describieron estas fuerzas como separadas entre sí, pero los investigadores luego se dieron cuenta de que las dos son componentes de la misma fuerza.

El componente eléctrico actúa entre las partículas cargadas, ya sea que estén en movimiento o estacionarias, creando un campo mediante el cual las cargas pueden influirse entre sí. Pero una vez puestas en movimiento, esas partículas cargadas comienzan a mostrar el segundo componente, la fuerza magnética.Las partículas crean un campo magnético a su alrededor a medida que se mueven. Por lo tanto, cuando los electrones pasan por un cable para cargar su computadora o teléfono o encender su televisor, por ejemplo, el cable se vuelve magnético.

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Las fuerzas electromagnéticas se transfieren entre partículas cargadas a través del intercambio de bosones portadores de fuerza sin masa llamados fotones, que también son los componentes de partículas de la luz. Los fotones portadores de fuerza que intercambian partículas cargadas, sin embargo, son una manifestación diferente de los fotones. Son virtuales e indetectables, aunque técnicamente son las mismas partículas que la versión real y detectable, según el Universidad de Tennessee, Knoxville .

La fuerza electromagnética es responsable de algunos de los fenómenos más comúnmente experimentados: la fricción, la elasticidad, la fuerza normal y la fuerza que mantiene unidos los sólidos en una forma determinada. Incluso es responsable de la resistencia que experimentan las aves, los aviones e incluso Superman mientras vuelan.. Estas acciones pueden ocurrir debido a partículas cargadas o neutralizadas que interactúan entre sí. La fuerza normal que mantiene un libro encima de una mesa en lugar de la gravedad tirando del libro al suelo, por ejemplo, es una consecuencia deelectrones en los átomos de la tabla que repelen los electrones en los átomos del libro.

La fuerza que mantiene un libro encima de una mesa en lugar de que la gravedad empuje el libro hacia el suelo es una consecuencia de la fuerza electromagnética: los electrones de los átomos de la mesa repelen los electrones de los átomos del libro. Crédito de la imagen: Shutterstock

La fuerza nuclear fuerte

El fuerza nuclear fuerte , también llamada interacción nuclear fuerte, es la más fuerte de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Es 6 mil billones de billones de billones ¡eso es 39 ceros después de 6! Veces más fuerte que la fuerza de la gravedad, según el sitio web de HyperPhysics . Y eso es porque une las partículas fundamentales de asunto juntos para formar partículas más grandes. Mantiene unidos los quarks que forman los protones y neutrones, y parte de la fuerza fuerte también mantiene unidos los protones y neutrones del núcleo de un átomo.

Al igual que la fuerza débil, la fuerza fuerte opera solo cuando las partículas subatómicas están extremadamente cerca unas de otras. Tienen que estar en algún lugar dentro de los 10 ^ -15 metros entre sí, o aproximadamente dentro del diámetro de un protón, según el sitio web de HyperPhysics .

Sin embargo, la fuerza fuerte es extraña porque, a diferencia de cualquiera de las otras fuerzas fundamentales, se debilita a medida que las partículas subatómicas se acercan entre sí. De hecho, alcanza la fuerza máxima cuando las partículas están más alejadas unas de otras, según Fermilab . Una vez dentro del rango, los bosones cargados sin masa llamados gluones transmiten la fuerza fuerte entre quarks y los mantienen "pegados" entre sí. Una pequeña fracción de la fuerza fuerte llamada fuerza fuerte residual actúa entre protones y neutrones. Los protones en el núcleo repelen unootro debido a su carga similar, pero la fuerza fuerte residual puede superar esta repulsión, por lo que las partículas permanecen unidas en núcleo del átomo .

naturaleza unificadora

La pregunta pendiente de las cuatro fuerzas fundamentales es si en realidad son manifestaciones de una sola gran fuerza del universo. Si es así, cada una de ellas debería poder fusionarse con las demás, y ya hay evidencia de que pueden.

Los físicos Sheldon Glashow y Steven Weinberg de la Universidad de Harvard con Abdus Salam del Imperial College London ganaron el Premio Nobel de Física en 1979 para unificar la fuerza electromagnética con la fuerza débil para formar el concepto de fuerza electrodébil . Los físicos que trabajan para encontrar la llamada gran teoría unificada tienen como objetivo unir la fuerza electrodébil con la fuerza fuerte para definir una fuerza electronuclear, que los modelos han predicho pero los investigadores aún no han observado. La pieza final del rompecabezas requeriríaunificando la gravedad con la fuerza electronuclear para desarrollar el llamado teoría del todo , un marco teórico que podría explicar todo el universo.

Los físicos, sin embargo, han encontrado bastante difícil fusionar el mundo microscópico con el macroscópico. A escalas grandes y especialmente astronómicas, la gravedad domina y se describe mejor en la teoría de la relatividad general de Einstein. Pero a escalas moleculares, atómicas o subatómicas, mecánica cuántica describe mejor el mundo natural. Y hasta ahora, nadie ha encontrado una buena manera de fusionar esos dos mundos.

Algunos físicos piensan que las cuatro fuerzas pueden fusionarse en una sola fuerza unificada que gobierna el universo: una teoría de campo unificado. Crédito de la imagen: Shutterstock

Los físicos que estudian la gravedad cuántica tienen como objetivo describir la fuerza en términos del mundo cuántico, lo que podría ayudar con la fusión. Fundamental para ese enfoque sería el descubrimiento de los gravitones, el bosón teórico portador de fuerza de la fuerza gravitacional. La gravedad es elúnica fuerza fundamental que los físicos pueden describir actualmente sin utilizar partículas portadoras de fuerza. Pero debido a que las descripciones de todas las demás fuerzas fundamentales requieren partículas portadoras de fuerza, los científicos esperan que los gravitones existan a nivel subatómico; los investigadores simplemente no han encontrado estas partículas todavía.

Para complicar aún más la historia está el reino invisible de materia oscura y energía oscura , que constituyen aproximadamente el 95% del universo. No está claro si la materia oscura y la energía consisten en una sola partícula o en un conjunto completo de partículas que tienen sus propias fuerzas y bosones mensajeros.

La partícula mensajera principal de interés actual es el fotón oscuro teórico, que mediaría las interacciones entre el universo visible e invisible. Si existen fotones oscuros, serían la clave para detectar el mundo invisible de la materia oscura y podrían conducir a ladescubrimiento de a quinta fuerza fundamental . Hasta ahora, sin embargo, no hay evidencia de que fotones oscuros existen, y algunas investigaciones han ofrecido pruebas sólidas de que estas partículas no existe .

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