Significado de Interacciones Fundamentales (Física) Definición, y Características

Definición formal

Las interacciones fundamentales son leyes que rigen la naturaleza de la materia en todo el universo, llamadas así porque no pueden ser descritas en términos de ninguna otra fuerza. Originalmente, se determina por cuatro: I) Gravedad, II) Fuerza electromagnética, III) Interacción nuclear fuerte, IV) Interacción nuclear débil.

A finales de los años 70 del siglo XX, los físicos propusieron que la fuerza electromagnética y la interacción nuclear débil eran aspectos de una misma fuerza, a la que llamaron fuerza electrodébil, y que se manifestó como tal en los instantes iniciales del universo, cuando las energías y las temperaturas eran lo suficientemente elevadas.

La fuerza de gravedad afecta a todas las partículas que poseen masa, por su parte, la fuerza electromagnética se da entre partículas con carga eléctrica y los dos últimos fenómenos (junto a la fuerza electromagnética) aparecen a nivel del núcleo del átomo y de las partículas subatómicas.

Características de la fuerza gravitacional

Es la fuerza fundamental más familiar de todas y como tal, fue la primera en ser descrita matemáticamente, gracias al físico inglés Isaac Newton (1642-1727).

La gravedad actúa sobre cualquier partícula con masa, sin importar su tamaño y en las cercanías de la Tierra se manifiesta a través del peso, definido como la fuerza que ejerce el planeta sobre los objetos y que va dirigida hacia su centro.

Asimismo, al ser una fuerza de largo alcance, es responsable de mantener en órbita a la Tierra y los demás cuerpos del Sistema Solar alrededor del Sol, y de los movimientos de este, las otras estrellas y todas las galaxias en el Universo.

La gravedad es una fuerza siempre atractiva, a la que se debe la continua formación de los objetos en el universo. Pese a eso, es la interacción fundamental más débil de todas. La fuerza de gravedad entre dos objetos distintos de masas M y m, separados una distancia r, se describe a través de la ecuación:

Donde G es el valor de la constante de gravitación universal: 6.674 × 10-11 N.m2/kg2. Ciertamente, con este valor tan pequeño, no es de sorprender que la gravedad sea relevante solo cuando la masa de los cuerpos es significativa, como en el caso de los planetas, estrellas y galaxias.

La Física contemporánea señala que para la gravedad y las demás fuerzas fundamentales existen partículas mediadoras, encargadas de ser las portadoras del campo de fuerzas respectivo.

Para la gravedad se ha propuesto que la partícula mediadora es el gravitón, sin embargo, aún no hay evidencia experimental que confirme su existencia.

Fuerza electromagnética

Las fuerzas electromagnéticas, al igual que la gravedad, son muy familiares, todo el mundo ha experimentado la electricidad estática al peinarse, tocar la carrocería del auto o sacar la ropa de la secadora, y también la atracción magnética de un imán que sujeta una nota en la puerta del refrigerador.

Tanto la fuerza eléctrica como la magnética son expresiones de la misma interacción fundamental, que actúa sobre partículas con carga eléctrica, como los electrones y protones del átomo.

La fuerza electromagnética puede ser atractiva o repulsiva, según las cargas que interactúan sean del mismo signo o no, por eso los electrones de carga negativa son atraídos por el núcleo en el que residen los protones, de carga positiva. En este aspecto, la fuerza electromagnética se diferencia de la fuerza gravitatoria, que siempre es atractiva, aunque ambas son de largo alcance.

En la naturaleza la fuerza electromagnética es responsable de los enlaces químicos entre los distintos átomos, dando lugar a las moléculas y los compuestos más variados.

Para la interacción electromagnética, la partícula mediadora es el fotón, que no solamente es la manifestación corpuscular de la luz, sino del resto del espectro electromagnético, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma.

Interacción nuclear fuerte

Por ser una interacción propia del núcleo atómico, es una fuerza menos conocida. En el núcleo atómico se encuentran los protones y los neutrones, los primeros con carga eléctrica positiva y los segundos careciendo de carga. Si las partículas con carga de igual signo se repelen, y sus masas son demasiado pequeñas como para que la atracción gravitatoria las mantenga unidas ¿cómo se mantiene la cohesión en el núcleo atómico?

La respuesta está en la interacción nuclear fuerte, una fuerza atractiva con un alcance mucho menor que la fuerza electromagnética, pero mucho más intensa en el rango del núcleo. De hecho, la fuerza nuclear fuerte es unas 100 veces más intensa que la repulsión entre los protones y gracias a ello el núcleo atómico se mantiene cohesionado.

En las condiciones que imperan en el centro de una estrella como el Sol, se producen reacciones termonucleares de las cuales la interacción fuerte es responsable. Estas reacciones son las que mantienen la estabilidad de la estrella durante gran parte de su vida.

La fuerza nuclear fuerte también tiene una partícula mediadora, el gluon, llamado así por la palabra “glue”, que en inglés significa pegamento, muy acorde con los efectos de esta interacción.

Interacción nuclear débil

Esta fuerza fundamental, unas 1013 veces más débil que la interacción fuerte, es evidente en algunos procesos de desintegración radiactiva, mediante los cuales algunos núcleos espontáneamente emiten energía y partículas, para transformarse en otros elementos.

Hay varias maneras en que esto puede ocurrir, por ejemplo, está la desintegración beta, en la cual un neutrón se transforma en un protón, expulsando un electrón y una curiosa partícula llamada anti-neutrino. Otros tipos de decaimientos también son debidos a esta interacción.

Tal como se explicó al comienzo, está unificada con la fuerza electromagnética para conformar la interacción electrodébil. Su rango de alcance es mucho menor que el de la interacción fuerte, ya que esta actúa en el dominio del núcleo, pero la interacción débil lo hace en el dominio de los nucleones.

La partícula mediadora de esta interacción es el bosón, una categoría a la cual también pertenece el muy conocido bosón de Higgs.