INTERACCIONES FUNDAMENTALES

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V. SLÜSARENKO - F ÍSICA INDUSTRIAL - UTFSM
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N° 116.538 DE 4/10/2000
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Interacciones fundamentales
Estructura en el Universo
La materia se presenta en el Universo organizada en diferentes tipos de estructuras de
muy diversos tamaños y propiedades.
Entre las estructuras más “grandes” , sin considerar el Universo mismo, destacan las
galaxias ( aunque éstas parecen agruparse en cúmulos de galaxias y éstos a su vez en super
cúmulos ) .
Las galaxias están formadas por estrellas ( o soles ) en sus varios grados de evolución
(gigantes rojas, enanas blancas, agujeros negros, etc.) y por otros objetos, cuya estructura y
composición son aún poco conocidas, como los cuasares.
Las estrellas, de las cuales nuestro Sol es un ejemplo más o menos típico, están
compuestas de núcleos atómicos y de electrones. Las partículas en el interior de una estrella
están a muy “altas” temperaturas y densidades, formando una clase de materia muy diferente a
las conocidas tradicionalmente en la Tierra. Se denomina plasma a ese estado de la materia.
Hasta donde sabemos hoy en día, los electrones no están compuestos de partículas más pequeñas.
Por eso, se los considera partículas fundamentales. Los núcleos en cambio, están compuestos
de partículas más pequeñas, los protones y los neutrones. A su vez, los protones y los neutrones
están formados por partículas llamadas quarks, las cuales, al igual que los electrones, son
también partículas fundamentales, es decir, sin estructura interna.
La mayor parte de la masa del Universo parece estar concentrada en las estrellas, aunque
es posible que haya en el espacio otros tipos de materia que no puedan ser fácilmente observados
desde la Tierra. Los planetas, satélites, cometas, asteroides y otros cuerpos que componen el
Sistema Solar, aparecen como “minúsculas impurezas” al ser comparados en masa y tamaño con
el Sol. Pero como la Tierra es el lugar en que vivimos, vale la pena examinar la estructura de la
materia en las condiciones normales que hay en las cercanías de su superficie.
La materia del ambiente que nos rodea se presenta en las tres formas conocidas: sólidos,
líquidos y gases. Cualquiera que sea la forma, la materia está compuesta por átomos. Cada
átomo está formado por un núcleo y por un “enjambre” de electrones. La disposición de estos
electrones en torno al núcleo determina las propiedades químicas de los elementos y compuestos
químicos. Los átomos difieren entre sí por el número de protones en su núcleo. Tal número,
llamado el número atómico, constituye un verdadero “carné de identidad” de cada átomo, y
pueden ser utilizados para hacer una clasificación de los distintos elementos químicos ( Tabla
Periódica de los Elementos ). Todos los cuerpos que nos rodean, sean inanimados o seres vivos,
están hechos de los mismos elementos químicos, combinados en una innumerable variedad de
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compuestos químicos. Cada compuesto químico está formado por agrupaciones de átomos
llamadas moléculas. Hay moléculas muy simples, como las del gas hidrógeno que constan sólo
de dos átomos, y otras extraordinariamente complejas como las del ADN, que lleva la
información genética de los seres vivos, que pueden contener miles de átomos.
Los núcleos de los átomos están formados por protones y neutrones, y éstos a su vez, por
quarks, como dijimos anteriormente, de modo que la materia en las condiciones de nuestro
ambiente puede considerarse constituida, en último término, por quarks y electrones.
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La física ha llegado, entonces, a la sorprendente conclusión que toda la materia del
Universo está formada por unos pocos tipos de partículas fundamentales: los quarks y los
electrones y algunas otras que han sido detectadas en experimentos realizados en laboratorios de
investigación en las últimas décadas.
Las siguientes preguntas surgen de inmediato:
¿ Por qué la materia se presenta formando toda esta compleja variedad de
estructuras ?
¿ Por qué el Universo no es simplemente un “amontonamiento de partículas” sin
orden alguno ?
La búsqueda de las respuesta a estas interrogantes es, en gran medida, una historia de las
investigaciones realizadas en física desde sus comienzos hasta la actualidad. Los resultados de
estas investigaciones están desplegados en incontables libros y revistas científicas, y usualmente
el desarrollo de tales investigaciones requiere un lenguaje matemático bastante elaborado. Pero,
de todos modos, es posible presentar, en forma esquemática, los mecanismos que explican la
existencia de las estructuras del Universo.
La formación de estructuras obedece al hecho simple, pero fundamental, de que los
distintos objetos que componen el Universo pueden ejercer fuerzas unos sobre otros. Hasta
donde sabemos hoy en día, todas las fuerzas que existen en la naturaleza pueden clasificarse en
sólo cuatro grandes clases, llamadas fuerzas o interacciones fundamentales. La variedad de
estructuras que se presentan en el Universo, se explica entonces, por las muy distintas
características de los cuatro tipos de interacción. A continuación se describen aspectos básicos de
cada tipo.
Interacción gravitacional
La fuerza de gravedad o interacción gravitacional es quizás la que se nos manifiesta en
forma más evidente. Isaac Newton postuló que esta fuerza tenía carácter universal: el mismo tipo
de fuerza que hace caer un cuerpo en la superficie de la Tierra mantiene a la Luna girando en
torno a nuestro planeta, y a los planetas en órbita en torno al Sol. En realidad todos los cuerpos,
por el simple hecho de existir y de tener masa, se atraen entre sí. Esta afirmación puede parecer
sorprendente pues, en la práctica, los objetos que nos rodean, por ejemplo dos sillas, no parecen
afectarse mutuamente.
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Ocurre que la gravitación es una fuerza extremadamente débil, de hecho la más débil de
los cuatro tipos fundamentales, y sólo se manifiesta en forma apreciable en presencia de cuerpos
muy masivos, como la Tierra. Cuidadosos experimentos han podido detectar la atracción
gravitacional entre objetos más pequeños, confirmando así la validez de la hipótesis de Newton.
La fuerza de gravedad entre dos cuerpos es proporcional al producto de las masas de los
cuerpos, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, es decir, si se triplica la
distancia entre los cuerpos la atracción entre ellos disminuye a la novena parte. A pesar de esta
disminución de la atracción con la distancia, la fuerza nunca llega a anularse del todo, lo cual se
expresa diciendo que la fuerza gravitacional tiene alcance infinito.
La fuerza de gravedad es la responsable de las grandes estructuras del Universo,
incluyendo la formación de las galaxias, de las estrellas y de los cuerpos menores como los
planetas. Es también la que permite la existencia de la atmósfera en torno a algunos planetas
como el nuestro, y fenómenos como las mareas. Entre cuerpos “más pequeños” la gravedad no
juega un papel importante ya que, como se ha dicho, es mucho más débil que los tipos de
interacción.
Interacción electromagnética
La interacción electromagnética es responsable de casi todas las propiedades de la
materia en el ambiente que nos rodea. Al igual que la fuerza gravitacional, se debilita con el
cuadrado de la distancia entre los cuerpos y tiene también alcance infinito, pero hay importantes
diferencias. La fuerza electromagnética sólo se ejerce entre cuerpos que tienen una propiedad
llamada carga eléctrica. Existen dos tipos de carga eléctrica, llamadas positiva y negativa, de
tal modo que la fuerza puede ser de atracción o de repulsión: dos partículas que tienen el mismo
tipo de carga se repelen, mientras que dos partículas con carga eléctrica de diferente tipo se
atraen.
Los protones y los electrones tienen idéntica cantidad de carga eléctrica pero de signos
opuestos: positiva y negativa, respectivamente. Los neutrones no tienen carga eléctrica neta. La
materia en forma ordinaria está compuesta por igual número de protones y electrones, por lo que
las fuerzas electromagnéticas no son aparentes en la vida diaria. Pero un pequeño desbalance en
esta neutralidad eléctrica se mantiene de forma poderosa, como por ejemplo, al caer un rayo, en
el cual una gran cantidad de carga es transferida para restablecer el equilibrio eléctrico,
perturbado por el choque de grandes masas de aire.
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La interacción electromagnética mantiene a los electrones unidos a los núcleos para
formar los átomos. También son fuerzas electromagnéticas las que mantienen unidos a los
átomos para formar moléculas, y a las moléculas entre sí para formar cuerpos mayores.
Propiedades tan dispares como la elasticidad de un sólido, la viscosidad de un líquido, o la
reactividad química de algún compuesto, son el resultado directo de las respectivas estructuras
moleculares, producidas por interacciones electromagnéticas. Aun las complejas reacciones
químicas que hacen posible el fenómeno de la vida tiene, en último término, un carácter
básicamente electromagnético.
La atracción eléctrica entre un electrón y un protón es muchos quintillones de veces más
poderosa que la atracción gravitacional entre ellos, por lo que esta última no tiene relevancia en la
estructura atómica de la materia. Podemos concluir entonces, que la gravitación se manifiesta
sólo cuando hay neutralidad de carga eléctrica, y grandes masas involucradas, mientras que la
interacción electromagnética domina en la escala de las distancias interatómicas, donde las masas
son pequeñas, pero hay partículas con carga eléctrica.
Interacción nuclear fuerte
Al descubrirse la existencia de los núcleos atómicos, y que los núcleos tenían protones, se
comprendió que debía existir una fuerza lo suficientemente poderosa para vencer la tremenda
repulsión eléctrica entre tales protones ( la fuerza gravitacional no podría cumplir ese rol, pues
sigue siendo tan insignificante a escala nuclear como lo es a escala atómica ). Este diferente tipo
de interacción ha sido llamada interacción nuclear o interacción nuclear fuerte,
indistintamente. La interacción fuerte se manifiesta entre quarks y se describe mediante una
propiedad llamada carga de color que ellos poseen. La interacción nuclear se considera como un
efecto residual de la interacción entre los quarks que conforman a protones, a neutrones y a otras
partículas. Entonces es, en esencia, la interacción fuerte la que mantiene unidos a neutrones y
protones formando las diferentes variedades de núcleos. La interacción nuclear fuerte no actúa
sobre partículas como los electrones. A diferencia de la interacciones gravitacional y
electromagnética, la interacción fuerte sólo actúa a distancias “muy cortas” , del orden de
magnitud del tamaño de núcleos, siendo despreciable a distancia mayores.
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Interacción nuclear débil
También se ha detectado otro tipo de interacción, llamada interacción nuclear débil,
responsable de ciertos decaimientos radioactivos. Este tipo de fuerza es experimentado por todas
la partículas pero, en condiciones normales, es extraordinariamente débil y de corto alcance. A
pesar de lo anterior, la interacción débil permite que ocurran algunas de las reacciones nucleares
que liberan energía del Sol.
Síntesis
Las interacciones fundamentales explican, en forma general, la diversidad de estructuras
con que se presenta la materia en el Universo. Esta afirmación no implica que nuestro
conocimiento de cómo funciona el Universo esté completo. Hay muchos aspectos que aún son
objeto de investigación y controversia. La búsqueda del conocimiento parece ser una actividad
incesante de la humanidad. Uno podría preguntarse acerca de la utilidad práctica del esfuerza
realizado en estas investigaciones : ¿ de qué nos sirve saber que existen estas cuatro clases de
interacción y sus características ? Aunque parezca extraño, los investigadores científicos rara vez
tienen en mente la posible utilidad de sus investigaciones. Y, sin embargo, cada descubrimiento
científico ha tenido, tarde o temprano, aplicaciones prácticas que cambiaron radicalmente el
carácter de nuestra vida diaria. La puesta en órbita de satélites de comunicaciones, la utilización
masiva de la tecnología electrónica, y la construcción de centrales nucleares, son algunos
ejemplos, entre muchos, de aplicaciones prácticas de teorías desarrolladas con anterioridad, y
que, a primera vista, parecían no tener utilidad alguna.
El presente curso intenta presentar algunas leyes fundamentales de la física, con énfasis en
situaciones de importancia práctica y con nivel moderado de complejidad matemática.
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