4 fuerzas fundamentales
Las fuerzas nos rodean. La fuerza de la gravedad mantiene a la Tierra en órbita alrededor del Sol. La fuerza del magnetismo hace que las barras magnéticas atraigan limaduras de hierro. Y una de ellas, conocida como la fuerza fuerte, pega los componentes básicos de los átomos. Las fuerzas afectan a todos los objetos del universo, desde las galaxias más grandes hasta las partículas más pequeñas. Todas estas fuerzas tienen algo en común: hacen que los objetos cambien de movimiento.
A finales del siglo XVII, el físico Isaac Newton inventó una fórmula para describir esta relación: fuerza = masa × aceleración. Puede que la hayas visto escrita como F = ma. La aceleración es un cambio en el movimiento de un objeto. Este cambio puede ser una aceleración o una ralentización. También puede ser un cambio de dirección. Dado que fuerza = masa × aceleración, una fuerza más intensa provocará un cambio mayor en el movimiento de un objeto.
En nuestra vida diaria experimentamos muchos tipos diferentes de fuerzas. Aplicamos una fuerza a nuestra mochila cuando la levantamos, o a la puerta de nuestra taquilla cuando la cerramos. Las fuerzas de fricción y arrastre del aire te frenan cuando patinas o vas en bicicleta. Pero todas estas fuerzas son, en realidad, diferentes manifestaciones de cuatro fuerzas fundamentales. Y, a fin de cuentas, son las únicas fuerzas que actúan en todo el cosmos.
Fuerzas del universo
Si descendemos a las escalas más pequeñas -10^-16 metros, o un millón de veces más pequeñas que un átomo-, la fuerza nuclear fuerte puede superar a todas las demás. Tomemos como ejemplo el núcleo de helio: dos protones y dos neutrones unidos en una configuración estable. Ni siquiera la repulsión electromagnética entre los dos protones es suficiente para superar la fuerza fuerte que mantiene unido el núcleo. Incluso si se quita un neutrón, dejando dos protones y un solo neutrón, ese isótopo de helio también es estable. La fuerza fuerte, en las distancias más pequeñas, superará sistemáticamente a todas las demás y, por tanto, en muchas circunstancias puede considerarse la más fuerte.
Pero intente construir su núcleo atómico demasiado grande y la fuerza electromagnética tomará el control. El uranio-238, por ejemplo, escupirá un núcleo de helio de vez en cuando, ya que la repulsión entre las distintas partes del núcleo es demasiado grande para que la fuerza fuerte pueda mantenerlo unido. A mayores escalas cósmicas, son los intensos campos magnéticos generados por estrellas colapsadas y materia cargada en rápida rotación los que pueden acelerar partículas hasta alcanzar las mayores energías del Universo: los rayos cósmicos de energía ultra alta que nos bombardean desde todas las direcciones del cielo. A diferencia de la fuerza fuerte, el alcance de la fuerza electromagnética no tiene límites: el campo eléctrico de un protón puede sentirse desde el otro extremo del Universo.
Cuántas fuerzas hay
Antes de la sección, pida a los alumnos que elaboren una lista de las distintas fuerzas. Además, puede ser útil repasar los campos gravitatorio y eléctrico, el experimento de la lámina de oro de Rutherford, el generador de Van de Graaff, la desintegración de partículas y el teorema del impulso-momento.
A pesar de la aparente complejidad del universo, sólo existen cuatro fuerzas básicas. Estas fuerzas son responsables de todas las interacciones conocidas por la ciencia: desde las muy pequeñas a las muy grandes, pasando por las que experimentamos en nuestra vida cotidiana. Estas fuerzas describen el movimiento de las galaxias, las reacciones químicas de nuestros laboratorios, la estructura de los núcleos atómicos y la causa de la desintegración radiactiva. Describen la verdadera causa de términos tan familiares como fricción y fuerza normal. Estas cuatro fuerzas básicas se conocen como fundamentales porque son las únicas responsables de todas las observaciones de fuerzas en la naturaleza. Las cuatro fuerzas fundamentales son la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte.
La fuerza gravitatoria es la que nos resulta más familiar porque describe muchas de nuestras observaciones habituales. Explica por qué una pelota cae al suelo y por qué nuestro planeta orbita alrededor del Sol. Nos da la propiedad del peso y determina en gran medida el movimiento de los objetos en nuestra vida cotidiana. Dado que la fuerza gravitatoria actúa entre todos los objetos de masa y puede actuar a grandes distancias, puede explicar gran parte de lo que observamos e incluso describir el movimiento de los objetos a escala astronómica. Dicho esto, la gravedad es increíblemente débil en comparación con las demás fuerzas fundamentales y es la más débil de todas ellas. Pensemos en lo siguiente: Se necesita toda la masa de la Tierra para sujetar un clavo de hierro al suelo. Sin embargo, con un simple imán, se puede vencer la fuerza de la gravedad, permitiendo que el clavo acelere hacia arriba a través del espacio.
Fuerza nuclear fuerte
La fuerza fuerte gobierna la forma en que se unen los elementos internos del núcleo del átomo: neutrones, protones y los quarks y gluones que los componen. Es la menos conocida de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza débil.
Slifer se imagina el trabajo saliendo de lo teórico o experimental y entrando en aplicaciones prácticas, como cuando hace un siglo nuestra comprensión de las interacciones entre nucleones dio lugar a aplicaciones como la fisión, la fusión y la energía nuclear.
La investigación, extremadamente compleja, requirió una década de trabajo y un pequeño ejército de estudiantes de posgrado, posdoctorados y personal técnico seis meses para su instalación y otros seis meses para su ejecución. El experimento se llevó a cabo en la Instalación Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson del Departamento de Energía y en su momento fue la mayor instalación jamás realizada en la Sala A del Jefferson Lab.
