Cuatro Fuerzas:

fuerte, débil, electromagnética, gravitatoria. 

Autor: Silvia Sokolovsky

Bibliografía

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En este momento es necesario tratar la naturaleza de una de las fuerzas que ha sido, y en cierto punto sigue siendo, un misterio. Nos estamos refiriendo a las fuerzas que mantienen unidos a los protones dentro del núcleo.

La tapa del libro que se observa es La Física Del Núcleo Atómico de Werner Heisenberg.

 Fuerzas que actúan dentro del núcleo

En primer lugar, su magnitud no tiene precedentes en la naturaleza. Si bien la repulsión electromagnética entre dos cargas es un fenómeno muy conocido, el hecho que en el interior del núcleo los protones se encuentren a una distancia alrededor de los 10 ^{– 15} m. nos lleva a preguntarnos ¿con qué fuerza se repelen los protones?.

Para contestar esta pregunta debemos primeramente recurrir a la ecuación de Coulomb que relaciona la fuerza (de repulsión) (F), la distancia (d) y las cargas de los protones (q, cuyo valor es 1,6 . 10 ^{- 19} C) y k es la constante de permitividad del medio cuyo valor en el vacío es de 9. 10⁹ N m². C ^{– 2}.

Cada par de protones se repele con una fuerza de aproximadamente 23,5 Kgr.

El principio de incertidumbre se aplica a distintos tipos de variables como lo son la energía y el tiempo. Si designamos como dE a la indeterminación de la energía durante un intervalo de tiempo cuya incertidumbre podamos escribir como dT, aplicando el principio de incertidumbre tenemos que dE . dT > h (constante de Plank).

La relación de incertidumbre tiempo – energía da lugar a un concepto muy interesante que es el de "partícula virtual".

La energía asociada a la masa de una partícula se puede incluir en la relación de la incertidumbre igual que cualquier otra energía. En particular, si tenemos una partícula de masa M y medimos su energía en un tiempo dT, la incertidumbre en la masa del sistema es: (c es la velocidad de la luz)

Si dT es suficientemente pequeño, es posible que la indeterminación en el valor de la masa sea lo suficientemente grande para que durante el tiempo dT no podamos saber si en un punto dado del espacio hay una única partícula de masa M o un conjunto de partículas de masa M + dM. Podríamos tener, por un breve instante, en vez de una, dos partículas.

Cabe aclarar que no existe medición alguna que nos pueda decir (al menos por ahora) si esto ocurre o no. Debe entenderse que en este proceso la partícula original fluctúa entre dos partículas, denominando, al objeto adicional, "partícula virtual". El tiempo involucrado en este proceso de fluctuación es de aproximadamente 4,3.10 ^{– 24} seg. La velocidad a la que el protón virtual puede viajar es la velocidad de la luz, por lo que la distancia que puede recorrer a esa velocidad en ese tiempo es de 1,3.10 ^{– 13} cm (tomado en M.R.U.). Esta última medida es un valor cercano al tamaño mismo del protón.

En el año 1934, el físico japonés Hideki Yukowa de la Universidad Imperial de Osaka, publicó un artículo decisivo en el que demostraba que si dos protones intercambiaban partículas virtuales, el resultado del intercambio es una fuerza atractiva entre ambas partículas. O sea, el intercambio de partículas virtuales generaría la enorme fuerza necesaria para mantener la unión del núcleo. Esa fuerza que cementaría a los protones se conoce hoy como interacción (fuerza) fuerte. Como en aquel tiempo no se conocía ninguna partícula cuya masa fuera intermedia entre la del protón y la del electrón (masa intermedia que calculó por aplicación de las reglas cuánticas al núcleo), Yukawa sugirió que buscaran que él llamó "cuanto U" (a la que más tarde se denominaría mesón, que quiere decir intermedio). A su debido tiempo se descubrió una familia de partículas, llamadas mesones, aunque no resultaron exactamente acordes a lo previsto por Yukawa, pero si lo suficientemente parecidos como para confirmar que la idea de partículas nucleares intercambiando mesones como portadores de la intensa fuerza nuclear debe ser considerada. Consecuentemente, Yukawa recibió el premio Novel de física en 1949. 

Quizás más importante que la explicación de la interacción fuerte, sea la idea de pensar que una fuerza se debe al intercambio de partículas. Desde este punto de vista la fuerza eléctrica podría explicarse gracias al intercambio de fotones virtuales entre cargas (electrones); la fuerza gravitatoria se generaría por el intercambio de partículas (que no se han encontrado aún) denominadas gravitones. De esta manera los principios cuánticos desarrollados por el físico japonés nos sugieren una nueva manera de entender a las fuerzas de la naturaleza que se encuentran fuertemente ligadas a la estructura de la materia.

Toda teoría sobre partículas elementales ha de considerar las fuerzas que actúan entre aquellas y las leyes de la naturaleza que las gobiernan.

Dos partículas pueden intercambiar una partícula virtual sin violar la ley de conservación de la energía

A principios del siglo XIX se consideraban cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, la electricidad, el magnetismo y la fuerza de corto alcance entre moléculas responsable de la cohesión de la materia. Merced a los avances de la física, la electricidad y el magnetismo se redujeron a una misma fuerza, quedando sólo dos fuerzas básicas: la gravitación y el electromagnetismo, ambas de largo alcance. Sin embargo la explicación de la estructura nuclear introdujo, rápidamente, dos nuevas fuerzas de corto alcance. La fuerza fuerte que enlaza protones y neutrones, juntos, en el núcleo y la fuerza débil que media ciertas transformaciones de una partícula a otra, como la desintegración beta de un núcleo radiactivo. (La radiación b son electrones expulsados del núcleo debido a la desintegración de un neutrón. El neutrón se desestabiliza "desarmándose" en un protón, un electrón y un neutrino; estas últimas dos partículas son expulsadas del núcleo).

Volvemos a tener cuatro fuerzas.

Se ha encontrado una profunda relación entre el electromagnetismo y la interacción débil que las catapulta hasta las mismas puertas de la unificación total. A pesar de su obvia relación, la conexión no es tan estrecha como en el caso de la electricidad y el magnetismo; de momento habrá que seguir suponiéndolas fuerzas distintas.

A partir del descubrimiento de la estructura del protón se ha modificado la lista de las fuerzas elementales, pero será un tema que trataremos más detalladamente al llegar al modelos de los quarks (las partículas que constituyen a los protones y neutrones).

Octubre 2002