Una fuerza se define como una tracción o repulsión que modifica el estado de movimiento o de deformación de un objeto.
Más exactamente, Newton definió una fuerza como el fenómeno que produce la aceleración de un cuerpo, F = ma, donde F es la fuerza, m es la masa del objeto y a es la aceleración.
En física, las fuerzas fundamentales, también conocidas como interacciones fundamentales, son aquellas interacciones que no son reducibles a otras formas de interacción más básicas. Son las fuerzas con las que las partículas elementales de la materia interaccionan entres sí.
Todas las interacciones observadas en el universo pueden ser descritas a través de cuatro tipos:
- Gravedad
- Electromagnetismo
- Interacción débil (fuerza nuclear débil)
- Interacción fuerte (fuerza nuclear fuerte)
Cada una de las fuerzas fundamentales se puede describir como un campo matemático. La gravedad se atribuye a la curvatura del espacio-tiempo descrita en la teoría de la relatividad general de Einstein. Las otras tres son campos cuánticos cuya interacción es mediada por las partículas descritas en el Modelo Estándar de física de partículas.
Se cree que la gravedad también podría estar mediada por una partícula, el gravitón, aún por descubrir y confirmar.
La gravedad y el electromagnetismo producen interacciones de largo alcance cuyos efectos podemos sentir y observar a nivel macroscópico.
Por su parte, las interacciones nucleares fuerte y débil producen fuerzas a distancias subatómicas y gobiernan las interacciones de las partículas que forman los núcleos atómicos.
Sin estas fuerzas de interacción, todas las partículas se separarían y la materia se desintegraría.
Índice de contenido
Fuerzas fundamentales en el Modelo Estándar
En el modelo estándar, la materia está formada por una serie de partículas elementales que pueden ser de dos tipos: fermiones y bosones. Los fermiones son las partículas portadoras de masa y los bosones son las partículas portadoras de las fuerzas de interacción.
Así, una fuerza fundamental se debe entender como una manifestación del intercambio de bosones entre otras partículas.
Según este modelo, la interacción fuerte es transportada por un tipo de bosón llamado gluón. Esta interacción es responsable de unir a diferentes quarks para formar hadrones, como los protones y los neutrones, y mantenerlos unidos en los núcleos atómicos.
La interacción débil es mediada por las partículas denominadas bosones W y bosones Z. La interacción débil también actúa en los núcleos atómicos, en concreto entre quarks y leptones (el electrón es un tipo de leptón), y se observa en la desintegración radiactiva, por ejemplo en el decaimiento beta.
La interacción electromagnética es mediada por los fotones, los cuales crean campos eléctricos y magnéticos responsables de la atracción entre los orbitales electrónicos y los núcleos atómicos para formar los átomos.
La interacción electromagnética también es responsable de los enlaces químicos y de las ondas electromagnéticas, incluyendo la luz visible.
La gravedad es la interacción fundamental más débil de todas, pero la que tiene un rango de acción mayor, por eso a escalas planetarias y galácticas la fuerza predominante es la gravitatoria. A escala macroscópica humana la fuerza predominante es la electromagnética, y a escala molecular y atómica son las fuerzas nucleares fuerte y débil.
Se cree que las cuatro fuerzas fundamentales están relacionadas y que se unifican en un solo tipo de interacción a altas energías y a distancias cortas del orden de las escala de Planck (ℓp = 1.616229(38)×10−35 m), aunque por ahora los aceleradores de partículas no han conseguido la suficiente energía que se requeriría para probarlo.
La interacción débil y la interacción electromagnética ya han sido unificadas en la teoría electrodébil, que se unificaría con la interacción fuerte en la fuerza electronuclear en la Teoría de la Gran Unificación. Esta teoría no contempla la gravedad, cuya unificación con las otras fuerzas requiere estudiar gravedad desde un punto de vista cuántico.
En una hipotética Teoría del Todo sí se incluirían las cuatro fuerzas fundamentales, incluso la gravedad. Uno de los intentos actuales es la Teoría de Cuerdas.
Gravedad
De las cuatro fuerzas fundamentales, la gravedad es la que tiene un rango de acción más largo y consigue alcanzar mayores distancias, pero a pesar de ello es la más débil.
La gravedad es una fuerza puramente atractiva entre dos masas cualquiera. Allá donde hay dos cuerpos con masa, hay gravedad entre ellos. La gravedad nos mantiene unidos a la superficie terrestre, mantiene los planetas en órbita alrededor del Sol y la Luna alrededor de la Tierra.
La intensidad del campo gravitatorio terrestre es de 1 N/Kg, lo que genera una aceleración en los objetos cercanos de 9.81 m/s2.
La gravedad es descrita por la Teoría de la Relatividad General como una curvatura en el tejido espacio-tiempo provocada por la presencia de un objeto con masa. A mayor densidad del objeto (más masa por unidad de volumen), mayor deformación del espacio-tiempo y mayor fuerza de gravedad.
La gravedad es la única de la cuatro interacciones fundamentales de la que no se ha observado su partícula causante, el hipotético gravitón. La gravedad y la mecánica cuántica tienen el reto de poder integrarse.
Electromagnetismo
El electromagnetismo es la interacción que se da entre partículas eléctricamente cargadas (Ley de Coulomb). Una partícula cargada en reposo interacciona mediante fuerzas electrostáticas, mientras que si está en movimiento interacciona mediante dos tipos de fuerzas: electrostáticas y magnéticas.
El electromagnetismo se estudió durante mucho tiempo como esas dos fuerzas separadas, pero fueron unificadas bajo las ecuaciones de Maxwell en la segunda mitad del siglo XIX. En la primera mitad del siglo XX, el electromagnetismo se consolidó como el mismo fenómeno en la electrodinámica cuántica.
En este contexto de física de partículas, el electromagnetismo es la manifestación de una interacción mediada por el intercambio de fotones.
El electromagnetismo es bastante más fuerte que la fuerza de la gravedad, pero su intensidad desciende con la distancia mucho más rápido.
La fuerza electromagnética es la que mantiene los electrones unidos a los núcleos atómicos, los átomos unidos en moléculas y las moléculas unidas en sustancias. Sus efectos a nivel macroscópico son los predominantes en nuestro día a día.
Interacción débil
La interacción débil, también conocida como fuerza nuclear débil, es en realidad una fuerza de gran magnitud que actúa a las escalas diminutas de los núcleos atómicos. La interacción débil tiene un rango de acción del orden de 10-18 m.
En física de partículas, la interacción débil involucra el intercambio de bosones vectoriales de tipo W y Z. Es responsable del cambio de sabor de los quarks (transmutación), lo que es esencial para la formación de núcleos pesados, y por eso también aparece en muchas formas de desintegración nuclear como la desintegración o decaimiento beta.
La interacción débil actúa entre quarks y leptones, a diferencia de la interacción fuerte que solo actúa entre quarks.
Con el descubrimiento de los bosones W y Z en 1983, se pudo confirmar las teorías que conectan la fuerza electromagnética y la interacción débil en un único fenómeno: la interacción electrodébil.
Interacción fuerte
La fuerza fundamental de mayor magnitud, y de ahí su nombre, es la interacción fuerte, también llamada fuerza nuclear fuerte. Es tan fuerte que es capaz de mantener unidos a los protones de los núcleos atómicos a pesar de la gran fuerza de repulsión electromagnética entre ellos.
Si a la interacción fuerte se le diése una magnitud de 1, la interacción débil tendría una fuerza relativa de 10-6 y la gravedad de tan solo 6 x 10-39. Sin embargo, la interacción fuerte tiene un rango de acción muy corto, del orden de 10-15 m.
Los quarks que forman los protones y los neutrones se mantienen unidos mediante la llamada fuerza de color, fuerza que es mediada por los bosones tipo gluón. La interacción fuerte que une los protones y los neutrones en los núcleos atómicos se considera en realidad una manifestación residual de la fuerza de color entre quarks.
Teoría del Todo y unificación de las fuerzas fundamentales
Muchos físicos creen que las cuatros fuerzas fundamentales son diferentes manifestaciones del mismo fenómeno. Del mismo modo que electricidad, magnetismo e interacción débil se han unificado en la interacción electrodébil, las investigaciones caminan hacia la unificación de todas las fuerzas en una sola teoría.
La interacción electrodébil y la fuerte formaría la fuerza electronuclear, y la fuerza electronuclear y la gravedad se unificarían en la Teoría del Todo.
La mecánica cuántica actual considera que las partículas materiales no interaccionan entre sí directamente, sino que manifiestan partículas virtuales cuyo intercambio es el responsable de la interacción.
Excepto la gravedad, las demás fuerzas fundamentales han sido consolidadas en esta teoría en el conocido como Modelo Estándar, y la mayoría de esas partículas portadoras de interacción han podido ser detectadas de forma experimental.
La llamada gravedad cuántica intenta explicar la gravedad también como intercambio de partículas, los teóricos gravitones. Pero por el momento no se ha conseguido detectar gravitones ni se ha enunciado una teoría de gravedad cuántica satisfactoria.