Si cualquiera de estas fuerzas fundamentales del universo fuera diferente, aunque la variaci\u00f3n s\u00f3lo fuera del 1 por mill\u00f3n, el universo ser\u00eda otra cosa distinta a lo que conocemos, y nosotros no estar\u00edamos aqu\u00ed hablando de ello.<\/p>\n
Pero lo que procede ahora, siguiendo la t\u00e9cnica de los f\u00edsicos de hacer las cosas por partes peque\u00f1as para que al final lo tengamos todo (todo lo grande est\u00e1 hecho de cosas peque\u00f1as), es explicar, una por una y con detalle, las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.<\/p>\n
Cualquiera de estas cuatro fuerzas, diferentes en su forma de interaccionar, que pueden ocurrir entre los cuerpos y que pueden tener lugar incluso cuando los cuerpos no est\u00e1n en contacto f\u00edsico, juntas pueden explicar todos los fen\u00f3menos que observamos en nuestro universo.<\/p>\n
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La interacci\u00f3n o fuerza gravitacional<\/a><\/span><\/p>\n M\u00e1s coloquialmente conocida como fuerza de la gravedad, es unas 1040<\/sup> veces m\u00e1s d\u00e9bil que la interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica; en realidad es la m\u00e1s d\u00e9bil de todas. La fuerza que genera act\u00faa entre todos los cuerpos que tienen masa, y la fuerza siempre es atractiva. La interacci\u00f3n puede ser comprendida utilizando un campo cl\u00e1sico en el que la intensidad de la fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia entre cuerpos interaccionantes. Gravitaci\u00f3n, en el sentido en el que la ve\u00eda Newton<\/a>, es una fuerza de f\u00f3rmula F = GM1<\/sub>M2<\/sub>\/d2<\/sup><\/em> de donde se sigue que g = GM\/d2<\/sup><\/em>. G<\/em> es la constante gravitacional, M<\/em> es la masa de La Tierra y d<\/em> la distancia del cuerpo al centro. La intensidad de atracci\u00f3n depende de la masa de los cuerpos y de la distancia entre ellos como queda explicado en la formulaci\u00f3n matem\u00e1tica anterior. En la teor\u00eda general de la relatividad<\/a>, la gravitaci\u00f3n se interpreta como una distorsi\u00f3n del espacio. Las fuerzas gravitacionales son importantes s\u00f3lo entre grandes masas como estrellas, planetas y sat\u00e9lites, y es esta fuerza la responsable de mantener unidos los componentes principales del universo. No obstante, a escala at\u00f3mica la fuerza gravitacional<\/a> es, como se ha dicho, 1040<\/sup> veces m\u00e1s d\u00e9bil que la fuerza de atracci\u00f3n electromagn\u00e9tica.<\/p>\n El hipot\u00e9tico cuanto de gravitaci\u00f3n<\/em>, el gravit\u00f3n<\/a>, es tambi\u00e9n un concepto \u00fatil en algunos contextos, pero a\u00fan no ha podido ser detectado, toda vez que al ser la fuerza m\u00e1s d\u00e9bil de todas, su bos\u00f3n<\/a> mediador tambi\u00e9n es muy d\u00e9bil de dif\u00edcil de detectar. Y aunque esta fuerza es despreciable en el universo de lo muy peque\u00f1o, el \u00e1mbito at\u00f3mico, en la escala cosmol\u00f3gica, donde las masas son enormes, se deja sentir con claridad y contundencia, y debido a que esta fuerza es de largo alcance, hay una teor\u00eda macrosc\u00f3pica bien definida, que es la antes mencionada relatividad<\/a> general de Einstein<\/a>, que la describe perfectamente, y adem\u00e1s, de ella se extraen consecuencias impensables antes de su formulaci\u00f3n. La fuerza de la gravedad es la que finalmente prevalece en las estrellas al final de sus vidas como tales, y dependiendo de sus masas, la gravedad las convierte en estrellas enanas blancas (caso de nuestro Sol), en estrellas de neutrones<\/a> o en agujeros negros<\/a> (para estrellas m\u00e1s masivas).<\/p>\n Por el momento nadie ha sabido encontrar una teor\u00eda cu\u00e1ntica de la interacci\u00f3n gravitatoria que sea satisfactoria. Cuando tratamos de unir la relatividad<\/a> general de Einstein<\/a> con la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica de Max Planck, Heisemberg, Schr\u00f6dinger y otros, parece como un choque de trenes de alta velocidad; el terremoto queda servido y aparecen infinitos y respuestas inexplicables a preguntas bien formuladas. Son, de momento, incompatibles. La teor\u00eda de supercuerdas<\/a> de Witten y otros, al trabajar con dimensiones m\u00e1s altas, parece que tienen la posibilidad de unir las dos teor\u00edas de forma natural.<\/p>\n Podr\u00edamos extendernos algo m\u00e1s sobre la teor\u00eda gravitatoria, pero hay que seguir la pauta propuesta de ir paso a paso exponiendo sencilla y b\u00e1sicamente las cuestiones que deseamos plantear, as\u00ed que una vez ha quedado plasma<\/a>da una idea de lo que es la interacci\u00f3n gravitacional, pasaremos a describir la fuerza siguiente.<\/p>\n La interacci\u00f3n nuclear d\u00e9bil<\/span><\/p>\n Esta fuerza es unas 1010<\/sup> veces menor que la interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica. Ocurre entre leptones<\/a>*<\/a> y en la desintegraci\u00f3n de los hadrones<\/a>*<\/a>. Es la responsable de la desintegraci\u00f3n beta<\/a> de las part\u00edculas y n\u00facleos. En el modelo actual, la interacci\u00f3n d\u00e9bil se entiende como una fuerza mediada por el intercambio de part\u00edculas virtuales, llamadas bosones<\/a> vectoriales intermediarios. Las interacciones d\u00e9biles son descritas por la teor\u00eda electrod\u00e9bil, que la unifica con las interacciones electromagn\u00e9ticas.<\/p>\n Las part\u00edculas mediadoras, de gran masa, son las W+<\/sup>, W–<\/sup> y Z0<\/sup>. Esta interacci\u00f3n est\u00e1 presente cuando se desintegran de forma natural elementos radiactivos como el uranio.<\/p>\n El electromagnetismo<\/span><\/p>\n Es la fuerza responsable de controlar la estructura at\u00f3mica, reacciones qu\u00edmicas y todos los fen\u00f3menos relacionados con la electricidad y el magnetismo, que son dos aspectos de una misma cuesti\u00f3n. Puede explicar las fuerzas entre las part\u00edculas cargadas, pero, al contrario que las interacciones gravitacionales, pueden ser tanto atractivas como repulsivas. Las cargas iguales se repelen, mientras que las distintas se atraen. Algunas part\u00edculas neutras se desintegran por interacciones electromagn\u00e9ticas. La interacci\u00f3n se puede interpretar tanto como un campo cl\u00e1sico de fuerza (ley de Coulomb) como por el intercambio de unos fotones<\/a> virtuales. Igual que las interacciones gravitatorias, el hecho de que la interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica sea de largo alcance significa que tiene una teor\u00eda cl\u00e1sica bien definida por las ecuaciones de Maxwell. La teor\u00eda cu\u00e1ntica de las interacciones electromagn\u00e9ticas se describe con la electrodin\u00e1mica cu\u00e1ntica, que es una forma sencilla de teor\u00eda gauge<\/a>*<\/a>. El fot\u00f3n<\/a> es la part\u00edcula mediadora.<\/p>\n La interacci\u00f3n nuclear fuerte<\/span><\/p>\n La m\u00e1s potente de todas las fuerzas fundamentales. Es unas 102<\/sup> veces mayor que la interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica. Aparece s\u00f3lo en los hadrones<\/a> y es la responsable de la fuerza entre los nucleones<\/a> que confiere a los n\u00facleos de los \u00e1tomos una gran estabilidad. Act\u00faa a muy corta distancia dentro del n\u00facleo (la regi\u00f3n es R \u2248 hc\/\u039b \u2248 10-13<\/sup> cm) y se puede interpretar como una interacci\u00f3n mediada por el intercambio de mesones<\/a> virtuales, en este caso de 8 gluones<\/a>. Las interacciones fuertes son descritas por una teor\u00eda gauge<\/a> llamada cromodin\u00e1mica cu\u00e1ntica<\/a>.<\/p>\n El efecto de esta fuerza es contrario al de las otras interacciones, ya que crece con la distancia. Act\u00faa como un muelle; cuanto m\u00e1s lo estiramos m\u00e1s resistencia opone. No deja que los quarks<\/a> que forman los protones<\/a> y neutrones<\/a> (los nucleones<\/a>) se puedan separar. Es lo que se conoce como el confinamiento de los quarks<\/a> sometidos a moverse en la regi\u00f3n de 10-13<\/sup> cm.<\/p>\n Con la descripci\u00f3n de las cuatro fuerzas fundamentales hemos esbozado s\u00f3lo una parte del panorama, pero para completarlo nos queda exponer lo que son las part\u00edculas elementales y explicar las familias que las componen, lo que significan dentro del sistema del Modelo Est\u00e1ndar de la f\u00edsica y c\u00f3mo forman la materia de los planteas, las estrellas, los \u00e1rboles, los mares y oc\u00e9anos, y tambi\u00e9n la de todos los seres vivos.<\/p>\n Part\u00edculas elementales<\/span><\/p>\n Constituyentes fundamentales de toda la materia del universo. Hasta el descubrimiento del electr\u00f3n<\/a> por J. J. Thomson en 1897 se pensaba que los \u00e1tomos eran los constituyentes fundamentales de la materia. Este hallazgo, junto con el de Rutherford del n\u00facleo at\u00f3mico y del prot\u00f3n<\/a> en 1911, hizo evidente que los \u00e1tomos no eran elementales, en el sentido de que tienen estructura interna. Es descubrimiento de Chadwick del neutr\u00f3n<\/a> en 1932 complet\u00f3 el modelo at\u00f3mico basado en un n\u00facleo at\u00f3mico consistente en protones<\/a> y neutrones<\/a> rodeados de un n\u00famero suficiente de electrones<\/a> como para equilibrar la carga nuclear. Sin embargo, no explicaba la gran estabilidad del n\u00facleo, que claramente no pod\u00eda mantenerse unido por una interacci\u00f3n electromagn\u00e9tica, pues el neutr\u00f3n<\/a> no tiene carga el\u00e9ctrica.<\/p>\n En 1935, Yukawa sugiri\u00f3 que la fuerza de intercambio que lo manten\u00eda junto estaba mediada por part\u00edculas de vida corta, llamados mesones<\/a>, que saltaban de un prot\u00f3n<\/a> a un neutr\u00f3n<\/a> y hacia atr\u00e1s de nuevo. Este concepto dio lugar al descubrimiento de las interacciones fuertes y de las interacciones d\u00e9biles, dando un total de cuatro interacciones fundamentales (como antes hemos descrito). Tambi\u00e9n dio lugar al descubrimiento de unas 200 part\u00edculas \u201celementales\u201d de vida corta, algunas de las cuales eran claramente m\u00e1s elementales que las otras. En la clasificaci\u00f3n actual existen dos clases principales de part\u00edculas:<\/p>\n La estructura hadr\u00f3nica est\u00e1 basada ahora en el concepto de Murray Gell-Mann de quark<\/a>, introducido en 1964. En este modelo, los hadrones<\/a> se dividen en bariones<\/a> (que se desintegran en protones<\/a>) y mesones<\/a> (que se desintegran en leptones<\/a> y fotones<\/a>). Los bariones<\/a> a su vez est\u00e1n formados por tres quarks<\/a>, y los mesones<\/a> por dos (un quark<\/a> y un antiquark). En la teor\u00eda quark<\/a>, por tanto, las \u00fanicas part\u00edculas realmente elementales son los leptones<\/a> y los quarks<\/a>.<\/p>\n Al contrario que los electrones<\/a> y protones<\/a>, que poseen cargas exactamente iguales en valor absoluto, pero de signos opuestos, los quarks<\/a> tienen cargas que son fracciones de la carga electr\u00f3nica (+2\/3 \u00f3 -1\/3 de la carga electr\u00f3nica).<\/p>\n La nomenclatura para describir los quarks<\/a> existentes es la siguiente: up<\/em> (u), down<\/em> (d), charmed<\/em> (c), strange<\/em> (s), top<\/em> (t) y bottom<\/em> (b).<\/p>\n El prot\u00f3n<\/a>, siendo un bari\u00f3n<\/a>, est\u00e1 constituido por tres quarks<\/a>: dos quarks<\/a> up y un quark<\/a> down (uud<\/em>); y el neutr\u00f3n<\/a> por udd<\/em>. Todos los quarks<\/a> tienen su antiquark que se denota con una raya encima de la letra que corresponda a cada uno. Por ejemplo, de un quark<\/a> up u<\/em>, su antiquark .<\/p>\n Con el fin de evitar conflictos con el principio de exclusi\u00f3n<\/a> de Pauli, se ha probado que es necesario a\u00f1adir el concepto de carga de color a los seis sabores de quarks<\/a> (el concepto \u201csabor\u201d aqu\u00ed no tiene nada que ver con el gusto). Por su complejidad para el no iniciado, dejaremos aqu\u00ed el problema de los sabores y colores de los quarks<\/a> que aparecen\u00a0 en los tres colores primarios, rojo, verde y azul. El uso de la palabra \u201ccolor\u201d en este contexto es por analog\u00eda con los colores visuales y no significa que las part\u00edculas est\u00e9s coloreadas. La teor\u00eda que gobierna estas combinaciones de sabores y colores est\u00e1 basada en la electrodin\u00e1mica cu\u00e1ntica y se llama cromodin\u00e1mica cu\u00e1ntica<\/a>.<\/p>\n Las interacciones fuertes entre quarks<\/a> se pueden entender por el intercambio de ocho part\u00edculas sin carga y sin masa en reposo, llamadas gluones<\/a><\/em> (glue<\/em>, pegamento en ingl\u00e9s) que mantienen juntos a los quarks<\/a> impidiendo que se puedan separar, en realidad se mantienen en una regi\u00f3n R \u2248 hc\/\u039b \u2248 10-13<\/sup> cm<\/em>, y la fuerza que se crea crece con la distancia; a m\u00e1s separaci\u00f3n de los quarks<\/a>, m\u00e1s aumenta la fuerza para impedirlo.<\/p>\n Aunque los gluones<\/a>, como los fotones<\/a> que realizan una funci\u00f3n similar entre los leptones<\/a>, no tienen carga el\u00e9ctrica, s\u00ed que tienen una carga de color.<\/p>\n La teor\u00eda de quark<\/a> completamente elaborada est\u00e1 ahora bien establecida por evidencias experimentales, pero como ni los quarks<\/a> ni los gluones<\/a> han sido identificados nunca en experimentos, la teor\u00eda no se puede decir que haya sido directamente verificada. Los quarks<\/a> individuales pueden tener la curiosa propiedad de ser mucho m\u00e1s masivos que los hadrones<\/a> que usualmente forman (debido a la enorme energ\u00eda potencial que tendr\u00edan cuando se separan), y algunos te\u00f3ricos creen que es, en consecuencia, imposible desde un punto de vista fundamental que existan aislados. Sin embargo, algunos experimentos han anunciado resultados consistentes en la presencia de cargas fraccionarias, que tendr\u00edan los quarks<\/a> no ligados.<\/p>\n Llegados a este punto, tenemos que volver sobre nuestros pasos hacia las mol\u00e9culas y los \u00e1tomos para comentar propiedades y principios que ser\u00e1 necesario tener en cuenta para comprender de lo que estamos hablando. Sin embargo, ese ser\u00e1 el objetivo de otro comentario.<\/p>\n emilio silvera<\/em><\/p>\n *<\/a> Los leptones<\/a> interaccionan por el electromagnetismo. Volver<\/a><\/p>\n *<\/a> Los hadrones<\/a> comprender a los neutrones<\/a> y protones<\/a>, que se desintegran en bariones<\/a> o al contrario, y est\u00e1n formados por quarks<\/a>. Volver<\/a><\/p>\n *<\/a> Gauge: cualquiera de las teor\u00edas de campo para explicar las interacciones fundamentales. Requieren un grupo de simetr\u00eda para los campos y los potenciales. En el caso de la electrodin\u00e1mica, el grupo de abeliano. Volver<\/a><\/p>\n\n
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