Introducción

La tarea fundamental de algunos de los físicos actuales consiste en la teoría de la unificación; unificación de las cuatro fuerzas de la naturaleza en una sóla teoría que las comprenda a todas.

Se han unificado 3 de las originarias 5 fuerzas, si contamos la electricidad y el magnetismo por separado, y se cree que en el principio del Universo, cuando toda la masa y energía estaba concentrada en un punto inperceptible (Big Bang), nada más hubo una fuerza que se dividió en varias manifestaciones al disminuir la energía de las partículas una vez producido el estallido.

Las 4 fuerzas de la naturaleza son:

La fuerza gravitatoria

Descubierta por Isaac Newton en el s. XVII y conocida por todos como "atracción gravitatoria" o simplemente "gravedad".

Fue la primera en ser descubierta y sufrimos sus efectos diariamente: al levantarnos de la cama, al caminar, cuando se nos caen las cosas de las manos, cuando llueve, … Su campo de trabajo es amplísimo, pues no se salva nada de cuanto existe. Los siguientes ejemplos están firmados por esta fuerza:

Los primeros experimentos los realizó Galileo en la famosa Torre de Pisa. Todo, absolutamente todo se ve afectado por la atracción gravitatoria, incluso la luz se curva por efecto de la gravedad; hecho que fue comprobado en un eclipse total de sol al medir la desviación sufrida por alguna de las estrellas cuya luz vemos pegada a la corona solar, pero situada realmente detrás del astro rey. Vale decir que todos los objetos por el hecho de tener masa ejercen fuerza gravitatorias sobre todos los que tienen a su alrededor.

La fuerza electromagnética

Produce atracción entre partículas, como la "atracción gravitatoria", pero también repulsión debido a la existencia de cargas eléctricas positivas y negativas.

Hasta la 1ª mitad del s.XIX se consideraban 2 fuerzas distintas e independientes: la eléctrica y la magnética. Tras los estudios y trabajos de científicos como Oersted, Faraday, Maxwell y muchos otros, se consiguió la unificación.

No afecta a todos los cuerpos como la gravedad, pues los hay con carga neutra.

La fuerza nuclear débil

Actúa en distancias realmente ínfimas, las distancias subatómicas. Descubierta en el s.XX, se diferencia de la gravitatoria y la electromagnética en que su alcance no es infinito sino muy reducido, pero comparativamente posee una intensidad muy superior a ellas.

Hace su aparición en la desintegración Beta (ß) de algunos compuestos radioactivos. En las últimas décadas del pasado milenio se demostró, en el marco de la mecánica cuántica, que la fuerzas electromagnética y nuclear débil son dos manifestaciones de una sóla fuerza: la fuerza electrodébil, con lo que realmente podríamos afirmar que no hay 4 sino de momento 3 fuerzas fundamentales.

Para entender este concepto es preciso recordar que los núcleos atómicos están constituidos de protones y neutrones. De paso añadiremos que los protones y los neutrones están constituidos por 3 quarks.

¿Qué es un quark"

Los quarks son partículas elementales, que no solamente forman al protón, sino a toda una serie de familias de otras partículas. Combinaciones de tres quarks forman los bariones (como el protón) y combinaciones de un quark y un anti-quark forman la famila de los mesones. Los quarks sienten la fuerza nuclear fuerte, pero no se encuentran libres en la naturaleza. Siempre están en estados ligados con otros quarks ya sea en un barión o en un mesón. La teoría de los Quarks fue elaborada en 1963 por los físicos Murray Gell-Mann y Yuval Ne’eman. Fue Gell-Mann quien dió el nombre de ‘quarks’ a estas partículas. La palabra no tiene significado alguno y salió de una frase de un libro del escritor James Joyce. Poco tiempo después de lanzada la hipótesis de los quarks, experimentos realizados en los laboratorios de Fermilab (en EEUU) y CERN (en Ginebra) comenzaron a dar evidencia experimental sobre su existencia.

Un protón está hecho de 2 quarks de tipo U y 1 quark de tipo D y un neutrón está hecho de 1 quark de tipo U y 2 quarks de tipo D. ¿Cuál es la diferencia entre el protón y el neutrón? Pues simple, con un quark tipo U a uno tipo D, convertiremos un protón en un neutrón.Pues justamente esto es lo que ocurre en la naturaleza cuando entra en acción la fuerza nuclear débil. Un quark tipo U cambia a uno tipo D por medio de la interacción débil. Las otras dos partículas que salen son un anti-electrón y un neutrino.

La fuerza nuclear fuerte

Actúa sobre los componentes de los núcleos atómicos atrayéndolos para que éste no pueda descompensarse por la intensa fuerza electromagnética de repulsión a la que se ven sometidos los protones (cargas positivas). Recordar que los protones se repelen como consecuencia de la fuerza electromagnética. Como consecuencia de ello, la fuerza con más intensidad de las 4 es la nuclear fuerte, siendo su alcance también del orden subatómico.

La constante de gravitación universal, denominada G, tiene un valor de 6.67*10^-11 (N*m²)/kg² y su valor fue establecido por primera vez por el físico inglés Henry Cavendish en 1798.

Newton ya se refirió a ella en su famosa Ley de la Gravitación Universal, pero no fue hasta 100 años más tarde cuando Cavendish pudo cuantificarla.

F->fuerza de atracción de 2 cuerpos

Cavendish, colgó de un hilo, una varilla en cuyos extremos puso unas bolitas de masa conocida. Suspendió el hilo al techo y puso al lado de cada bolita una gran bola, también de masa conocida. Pretendía medir la fuerza de atracción gravitatoria entre la bola pequeña y la grande … y al final lo consiguió.

Con este dato, los de las masas de las bolas y la distancia que las separaba, pudo calcular G de forma primitiva.

Su valor actual lo estableció el físico americano Paul R. Heyl en 1928 y es de

6.67*10^-11 (N*m²⁾/kg²

Para calcular g, primero cabe preguntarse ¿Qué es g? Se denomina g a la gravedad. Ahora nos preguntaremos

¿y qué es la gravedad?

La gravedad es una fuerza, pero no una fuerza cualquiera. Es una fuerza única que hace que nuestros antípodas no se caigan de la Tierra y permanezcan pegados al suelo, que los aviones no puedan salir de la atmósfera terrestre o que cuando se nos cae un plato siempre viaje verticalmente y hacia abajo (aunque todo esto es relativo, como diría Einstein) ;-)

Estoy hablando de la gravedad terrestre, es a la que estamos sometidos todos los seres vivos por el hecho de habitar este planeta. Nosotros y todo lo que hay en la Tierra sufrimos diariamente sus consecuencias y vivimos en paz y armonía toda nuestra existencia junto a esta fuerza irresistible.

En otro artículo hablaremos de Newton, la manzana y el descubrimiento de la gravedad.

2 puntos de vista antagónicos

La gravedad es, pues, una fuerza y es también una aceleración. Al dejar caer desde un tercer piso un ladrillo se hace evidente que éste acelera hasta que finalmente se estrella en el pavimento, en el mejor de los casos. ¿Por qué cae el ladrillo? Es más, ¿el ladrillo cae por su propio peso o, más bien, es atraido por la Tierra? La respuesta correcta es la segunda, coloquialmente diríamos "el ladrillo se cayó". Un físico diría "la Tierra atrajo al ladrillo".

Valor constante

De hecho, la Tierra atrae a todos los objetos con la misma fuerza, independientemente de su peso, es decir, atrae con la misma fuerza un papel de fumar que un tomo de 2000 páginas de una enciclopedia. ¿Por qué, entonces, al soltar de forma independiente ambos objetos desde la misma altura, llega antes el pesado tomo de la enciclopedia? Fácil, la explicación está en la fuerza de rozamiento. Ambos objetos están sometidos a la misma fuerza de gravedad, pero también actúa sobre ellos una fuerza que los frena: la fuerza de rozamiento. Ésta, es la causante de que el libro llegue en primer lugar al suelo. En el caso del papel de fumar, la fuerza de rozamiento presenta una oposición al peso de la hoja, lo que hace que ésta baje lentamente. El rozamiento no puede hacer lo mismo con el pesado tomo de la enciclopedia debido a su masa. Por tanto, esta experiencia no es equitativa con el papel. Ya que no disponemos de un laboratorio adecuado para eliminar la fuerza de rozamiento en el experimento, lo justo sería forzar a que el rozamiento actuase con el mismo ímpeto frente a ambos cuerpos. Estaríamos en igualdad de condiciones y entonces la experiencia sí resultaría adecuada. La forma más fácil de conseguirlo sería poniendo el papel de fumar encima del tomo de la enciclopedia. Entonces actuaría sobre ambos la misma fuerza de rozamiento y, por tanto, si alzamos el tomo a cierta altura y lo dejamos caer, nos dará la impresión de que hayamos pegado con pegamento el papel al tomo, pues ambos bajan acelerando al unísono. Al descubierto queda que la atmósfera terrestre no es el laboratorio más idóneo para este tipo de experiencias.

Cálculo de g

Partamos de la Ley de Gravitación Universal de Newton

Sabiendo que en caída libre , entonces tenemos que

con lo que

y aplicando esta fórmula para el caso terrestre con:

tenemos

(Artículo original del 3/05/2002)

Los núcleos atómicos están compuestos de protones y neutrones unidos por la fuerza nuclear fuerte. Si no fuera así, los núcleos atómicos no existirían pues los protones al tener carga eléctrica positiva se repelerían entre ellos, y por lo tanto, sería imposible la existencia de átomos, moléculas y materia de cualquier tipo. Tenemos, pues, mucho que agradecer a la fuerza nuclear fuerte.

No obstante, el impacto de un neutrón lanzado con la suficiente fuerza hacia el núcleo de un átomo puede vencer la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidas a las partículas del núcleo y desencadenar una liberación de energía a la que llamamos "energía nuclear".

Veámoslo con un sencillo gráfico.

Los neutrones (azules en el gráfico) que salen disparados pueden iniciar una reacción en cadena.

Lo característico de este proceso es que la masa del núcleo atómico inicial resulta ser algo mayor que la suma de las masas de los 2 núcleos obtenidos.

¿Dónde está la masa que falta? Está en forma de energía. ¿Es eso posible? Sí. La explicación está en la conocida ecuación relativista. La masa que falta es la fuerza nuclear fuerte que mantiene la cohesión en el núcleo atómico. Es decir que la masa se ha convertido en energía según la ecuación E=mc².Todo esto nos explica porque la fisión de un núcleo de uranio en dos núcleos con una masa total menor liberará una cantidad de energía enorme. Es la base de las bombas atómicas y de su tremendo poder destructivo.

(Artículo original 25/04/2002)