INTERACCIONES FUNDAMENTALES I - 1
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 I - 2
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. I - 3
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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. I - 6
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. I - 7
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. I - 8
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. I - 9