Interacciones fundamentales para niños
En el mundo de la física, las fuerzas fundamentales o interacciones físicas son las maneras en que las partículas más pequeñas del universo interactúan entre sí. Imagina que son como los "pegamentos" o "empujones" que mantienen todo unido o lo separan.
Existen cuatro tipos principales de estas interacciones:
La fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos los núcleos de los átomos. La fuerza electromagnética actúa entre partículas que tienen carga eléctrica, como los imanes o la electricidad. La fuerza nuclear débil es la responsable de que algunas partículas se transformen en otras, un proceso llamado "decaimiento". La fuerza gravitatoria es la que nos mantiene pegados a la Tierra y hace que los planetas giren alrededor del Sol.
Los científicos prefieren llamar a estas "interacciones fundamentales" en lugar de "fuerzas", porque este término abarca tanto las fuerzas de atracción o repulsión como los procesos de decaimiento de las partículas.
| Propiedad/Interacción | Gravitatoria | Débil | Electromagnética | Fuerte | |
|---|---|---|---|---|---|
| (Electrodébil) | Fundamental | Residual | |||
| Actúa sobre: | Masa - Energía | Sabor | Carga eléctrica | Carga de color | Núcleos atómicos |
| Partículas que la experimentan: | Todas | Quarks, leptones | con carga eléctrica | Quarks, Gluones | Hadrones |
| Partículas mediadoras: | Ninguna Gravitón (conjeturado) |
W+ W− Z0 | γ (fotones) | Gluones | Mesones |
| Magnitud (a la escala de los quarks): | 10-41 | 10-4 | 1 | 1060 | No aplicable a los quarks |
| Magnitud (a la escala de los protones): | 10-36 | 10-7 | 1 | No aplicable a los hadrones |
102 |
Contenido
Historia de las interacciones fundamentales
La historia de la física ha buscado siempre explicar el universo con leyes sencillas. Científicos como Galileo y Kepler describieron la gravedad y el movimiento de los planetas. Fue Isaac Newton quien, en 1678, demostró que ambos fenómenos eran parte de la misma fuerza gravitatoria.
Más tarde, en el siglo XIX, se descubrió que la electricidad y el magnetismo estaban relacionados. En 1820, Ørsted notó que las corrientes eléctricas afectaban a los imanes. Finalmente, Maxwell unificó estos dos fenómenos en el electromagnetismo en 1861.
Con el avance de la física nuclear, se descubrieron dos fuerzas más: la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. Los científicos encontraron que estas "fuerzas" son transmitidas por partículas llamadas bosones.
En la década de 1960, Glashow, Salam y Weinberg propusieron que la fuerza nuclear débil y la electromagnética podían unirse en una sola, llamada interacción electrodébil. A temperaturas muy altas, como las del Big Bang, estas dos interacciones son en realidad una sola.
Los científicos esperan que las tres interacciones cuánticas (fuerte, débil y electromagnética) puedan unificarse en una interacción electronuclear. El objetivo final es una teoría del todo que explique las cuatro interacciones, pero aún no se ha encontrado.
Tipos de interacciones
Interacción gravitatoria: la fuerza que nos atrae
La interacción gravitatoria es la más conocida. Es la que hace que las cosas caigan al suelo y que los planetas giren alrededor de las estrellas. Aunque es muy débil a distancias pequeñas, su efecto se acumula con grandes masas, por lo que es muy importante en el universo.
Esta interacción hace que cualquier objeto con energía se atraiga entre sí. La teoría general de la relatividad de Albert Einstein explica la gravedad como una curvatura del espacio-tiempo. Esto significa que las grandes masas, como los planetas, "doblan" el espacio y el tiempo a su alrededor, y esa curvatura es lo que percibimos como gravedad.
Según el modelo estándar, la gravedad podría ser transmitida por una partícula llamada gravitón, aunque esta partícula aún no ha sido confirmada.
Interacción electromagnética: electricidad y magnetismo
El electromagnetismo es la interacción que ocurre entre partículas con carga eléctrica. Incluye la fuerza que atrae o repele cargas en reposo (electrostática) y la combinación de fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre cargas en movimiento.
Esta interacción tiene un alcance infinito y es mucho más fuerte que la gravedad. Es la responsable de casi todos los fenómenos que vemos a diario, desde la luz y la radio hasta la forma en que los átomos se unen para formar todo lo que nos rodea.
Los fenómenos eléctricos y magnéticos se conocen desde hace mucho tiempo. En 1864, las ecuaciones de Maxwell unificaron rigurosamente ambos fenómenos. Más tarde, Albert Einstein explicó que la luz se transmite en paquetes de energía llamados fotones, que son las partículas que transmiten la fuerza electromagnética.
Interacción nuclear fuerte: el pegamento del núcleo
La interacción fuerte es la más potente de todas. Es la que mantiene unidos a los quarks para formar partículas como los protones y neutrones. Así como las partículas eléctricas tienen carga eléctrica, los quarks tienen una "carga de color".
Aunque es muy intensa, su efecto solo se siente a distancias muy, muy cortas, dentro del núcleo atómico. La partícula que transmite esta fuerza es el gluón. La teoría que la describe se llama cromodinámica cuántica.
Como un efecto secundario de esta interacción entre quarks, existe una fuerza residual que actúa entre los protones y neutrones dentro del núcleo. Esta fuerza es la que evita que los protones, que tienen carga positiva y se repelen entre sí, salgan volando del núcleo.
Interacción nuclear débil: el cambio de partículas
La interacción débil es la responsable de que algunas partículas cambien su "sabor" (una propiedad de los quarks y leptones). Esto significa que puede hacer que los quarks y leptones se transformen en partículas más ligeras. También es la causa de procesos como la desintegración beta.
Esta interacción es transmitida por partículas muy masivas llamadas bosones W y Z. Su intensidad es menor que la electromagnética y su alcance es aún más corto que el de la interacción fuerte.
Comparación de las interacciones
| Interacción | Teoría descriptiva | Mediadores | Fuerza relativa | Comportamiento con la distancia (r) | Alcance (m) |
|---|---|---|---|---|---|
| Fuerte | Cromodinámica cuántica (QCD) | gluones | 1038 |  |
10-15 |
| Electromagnética | Electrodinámica cuántica (QED) | fotones | 1036 |  |
 |
| Débil | Teoría electrodébil | bosones W y Z | 1025 |  |
10-18 |
| Gravitatoria | Gravedad cuántica | gravitones (hipotéticos) | 1 | |
|
Interacciones en el modelo estándar
Las interacciones electromagnética, fuerte y débil se estudian juntas en un marco llamado modelo estándar de la física de partículas. El objetivo de los físicos es describir las cuatro interacciones como si fueran aspectos de una única fuerza.
Según el modelo estándar, la interacción electromagnética y la interacción nuclear débil son en realidad dos caras de una misma moneda, la interacción electrodébil. A bajas energías, parecen diferentes, pero a energías muy altas, se comportan como una sola.
La siguiente tabla muestra lo que el modelo estándar dice sobre las interacciones fundamentales:
| Interacción | Gravitatoria | Electromagnética | Débil | Fuerte |
|---|---|---|---|---|
| Accionar | masa-energía | carga eléctrica | carga de sabor | carga de color |
| Partículas a las que afecta | todas | partículas con carga | leptones y quarks | quarks y gluones |
| Partículas mediadoras | gravitón | fotón | bosones W y Z | gluón |
| Intensidad para dos quarks si están a 10-18 m | 10-41 | 1 | 0.8 | 25 |
| Intensidad para dos quarks si están a 3 x 10-17 m | 10-41 | 1 | 10-4 | 60 |
| Intensidad para dos protones en el núcleo | 10-36 | 1 | 10-7 | no aplicable para hadrones |
Nuevas ideas sobre las fuerzas
Observaciones recientes sugieren que el universo se está expandiendo cada vez más rápido. Una idea popular para explicar esto es la energía oscura. Se cree que esta energía hipotética llena todo el espacio y crea una especie de "presión negativa" que empuja el universo a expandirse más rápido, actuando como una fuerza gravitacional que repele. Aunque aún no está confirmada como una fuerza fundamental, es una idea importante en la cosmología.
Véase también
En inglés: Fundamental interaction Facts for Kids
- Fuerza
- Modelo estándar
- Gravitón
- Fotón
- Bosón
- Energía oscura
- Teoría de cuerdas
- Superfuerza
