fisica

1. EL ORIGEN DE LAS FUERZAS
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Para entender el origen de las fuerzas nos remontaremos a los inicios del universo.
Partiendo de la Teoría del Big Bang donde se inició lo hasta ahora conocido.
El universo empezó como un punto muy pesado y ardiente. Un volumen mínimo con una
energía enorme. Hablamos de cien quintillones de grados de temperatura en una densidad
de trillones de trillones de Kg/l.
Enseguida surgieron quarks, electrones y fotones. Luego protones y neutrones. Estamos
a billones de grados y a 10.000 millonésimas de segundo después del big bang. A los tres
minutos del big bang, la temperatura baja a mil millones de grados y se forman los núcleos
de hidrógeno pesado y helio. La expansión continúa (actualmente el universo sigue
expandiéndose).
LA PRIMERA FUERZA
Instantes después del big bang, entraron en acción las cuatro fuerzas fundamentales: la
gravedad, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil y que estas formaron
una única fuerza, la superfuerza, que a medida que el universo se expande se separan una
de otra. De estas 4 fuerzas, solamente la gravedad actúa a escala cósmica y es una fuerza
de atracción, no de repulsión. Por este motivo, para muchas personas resulta muy difícil
aceptar que la explosión del Big Bang de potencia inimaginable inició el proceso de
esparcir el cosmos en todas direcciones en un proceso de expansión que todavía prosigue
hasta el día de hoy.
FUERZA GRAVITACIONAL
La gravedad es una de las cuatro fuerzas o
interacciones fundamentales observadas
hasta el momento en la naturaleza.
La gravedad es la responsable de la caída de
los cuerpos en la Tierra y de los movimientos
a gran escala que se observan en el Universo:
que la Luna orbite alrededor de la Tierra, que
los planetas orbiten alrededor del Sol y que
las galaxias estén rotando en torno a un
centro.
Hasta mediados del siglo XVII los astrónomos habían logrado describir con mucho
detalle las trayectorias de la Tierra, la Luna y los planetas. Pero nadie había conseguido
averiguar la causa de estos desplazamientos tan precisos.

2. Fue Isaac Newton el que descubrió que "todo
sucede como si la materia atrajera a la materia".
Pero hizo mucho más: descubrió que existe una
relación cuantitativa para la fuerza de atracción
entre dos objetos con masa.
De sus reflexiones y cálculos, dedujo que todo
objeto en el universo que posea masa ejerce una
atracción gravitatoria sobre cualquier otro objeto
con masa, aún si están separados por una gran
distancia.
Isaac Newton presentó la ley de Gravitación
Universal en su libro publicado en 1687,
"Philosophiae Naturalis Principia Mathematica". De acuerdo con esta ley de Newton,
cuanta más masa posean los objetos, mayor será la fuerza de atracción, y cuanto más cerca
se encuentren entre sí, mayor será esa fuerza.
Cada cuerpo ejerce una fuerza sobre el otro, las dos fuerzas son iguales en módulo y
dirección, pero contrarias en sentido; al estar aplicadas en diferentes cuerpos no se anulan.
Considerando dos cuerpos como la Tierra y
la Luna, la ley de gravitación se expresa en
forma de una ecuación que cuantifica "la
fuerza de gravedad que ejerce la Tierra con
masa mT sobre la Luna con masa mL, como
el producto de ambas masas, dividido por el
cuadrado de la distancias desde el centro de
la Tierra hasta el centro de la Luna.
La fuerza de gravedad de la Tierra causa una
aceleración de la Luna hacia la Tierra. La
fuerza de gravedad de la Luna causa una
aceleración de la Tierra hacia la Luna. Ambas fuerzas tienen la misma intensidad.
Lo mismo sucede, guardando las proporciones, con la Tierra y la manzana que en la figura
aparece de color rojo.
Todas las partículas materiales y todos los cuerpos se atraen mutuamente por el simple
hecho de tener masa, en proporción directa a sus masas. La gravedad tiene un alcance
teórico infinito; pero, la fuerza es mayor si los objetos están próximos, y mientras se van
alejando dicha fuerza pierde intensidad en proporción al cuadrado de la distancia que
separa a los cuerpos. Por ejemplo, si se aleja un objeto de otro al triple de distancia,
entonces la fuerza de gravedad se reduce a la novena parte.

3. En la fórmula de la gravitación es muy importante
la introducción de un valor que sirve para obtener
el valor exacto de las fuerzas de atracción
gravitacional. Es la famosa "constante G", la
constante de gravitación universal. Newton no
conocía la causa de esta constante y tampoco sul
valor exacto. Sólo pudo indicar que se trataba de
una constante universal y que su valor era un
número bastante pequeño.
Sólo mucho tiempo después se desarrollaron las
técnicas necesarias para mejorar el cálculo de su valor. Aún hoy es una de las constantes
universales conocidas con menor precisión.
Isaac Newton fue el primero en explicar que la fuerza que hace que los objetos caigan
con aceleración constante en la Tierra (gravedad terrestre), es la misma que mantiene en
movimiento los planetas y las estrellas.
La fuerza de gravedad siempre es atractiva, nunca es repulsiva y tiene alcance infinito.
Por muy alejados que estén entre sí dos cuerpos, siguen experimentando esta fuerza,
aunque más débil a medida que aumenta la distancia.
La fuerza de gravedad siempre produce atracción entre los cuerpos, cualquiera que sea su
composición. La fuerza resultante se produce atrayéndose el centro de gravedad de un
objeto con el centro de gravedad del otro.
La fuerza gravitatoria es universal y todas las partículas materiales están sometidas a ella,
sin excepción. Sin embargo, en el interior de los átomos, la fuerza de gravedad no juega
un papel importante, debido a la pequeñísima magnitud de las masas de las partículas
elementales.
Utilizando la fórmula matemática de la Gravitación
Universal, podemos calcular la fuerza de atracción
entre la Tierra y el cuerpo de un astronauta que esté en
una órbita ecuatorial a 500 km de la superficie y que
tenga una masa de 90 kg incluido su traje espacial.
La masa de la Tierra es 5,974 × 1024 kg.
La distancia entre el centro de gravedad de la Tierra
(centro de la tierra) y la superficie ecuatorial es de
6.378,28 km. Si agregamos los 500 km de altura, se
obtiene una distancia de 6.878.280 metros entre
ambos centros de gravedad: el de la Tierra y el del astronauta.

4. G es la constante de gravitación universal y vale aproximadamente6,674 * 10 -11
Haciendo los cálculos, se obtiene que la fuerza gravitacional de cada uno de estos dos
cuerpos (la Tierra y el astronauta) es de 750 Newton, equivalentes aproximadamente a 77
Kg de atracción mutua,
Newton explico cómo se comportan los cuerpos ante la gravedad. Einstein propuso un
modelo teórico para explicar el origen de la gravedad.
¿Cuál es la causa de la gravedad? ¿Por qué existe la gravedad?
Quien responda satisfactoriamente a esta pregunta se ganaría el Premio Nobel de Física,
porque ésta es una de las interrogantes más interesantes que tiene la ciencia moderna.
Hasta ahora, nadie ha dado con la respuesta.
En términos generales lo que sabemos de la gravedad, desde Isaac Newton y Albert
Einstein hasta ahora es que “todo sucede como si la materia atrajera a la materia”. Newton
ideó una fórmula matemática que funciona con precisión y que, desde entonces, ha
permitido calcular las trayectorias de los astros y de las naves espaciales. Eisntein propuso
la teoría de la deformación del espacio-tiempo. Pero seguimos sin conocer por qué la
materia produce esta interacción que llamamos gravedad.
En los ambientes matemáticos y científicos de vanguardia se habla mucho de los
gravitones, partículas elementales que emanarían de los campos gravitatorios, y de las
ondas gravitatorias.
Como paso previo a la búsqueda directa de los gravitones, en la Universidad de Wisconsin
y en el Observatorio de Ondas Gravitatorias del Interferómetro Láser (LIGO) se están
realizando investigaciones con el fin de encontrar pruebas de la existencia de ondas de
gravedad, ondas gravitatorias.
La teoría de la relatividad general, hace un análisis diferente de la interacción gravitatoria.
De acuerdo con esta teoría, la gravedad puede entenderse como un efecto geométrico de la
materia sobre el espacio-tiempo.
Cuando una cierta cantidad de materia ocupa una región del espacio-tiempo, ésta provoca
que el espacio-tiempo se deforme.
Visto así, la fuerza gravitatoria no es una misteriosa "fuerza que atrae", sino el efecto
producido por la deformación del espacio-tiempo, de geometría no euclídea, sobre el
movimiento de los cuerpos.
Dado que todos los objetos (según esta teoría) se mueven en el espacio-tiempo, al deformarse
este espacio, parte de esa velocidad será desviada produciéndose aceleración en una
dirección, que es la fuerza de gravedad.

5. En la mecánica clásica se puede medir una onda y actualmente se admite que las ondas
están compuestas de partículas. De modo que si se consigue detectar ondas gravitatorias,
se tendría una base para sugerir que los gravitones existen de verdad. Esto sería una
noticia optimista que animaría a continuar buscándolos.
Actualmente es posible detectar partículas casi sin masa, como los fotones. Pero, según
los modelos matemáticos, los gravitones deberían interactuar muy débilmente con la
materia. Esta tan débil interacción sería la causa de que, hasta ahora, los gravitones sean
indetectables. Simplemente no se sabe cómo detectarlos.
Por ahora, todos los esfuerzos están centrados en confirmar la existencia del bosón de
Higgs, que es un primo lejano del gravitón y que se supone responsable de dar masa a la
materia. Descubrir el bosón de Higgs, sería un gran estímulo para continuar con la
búsqueda de los gravitones.
A veces se leen críticas a las cuantiosas inversiones que se realizan en los grandes
Aceleradores de Partículas, como el LHC y el Fermilab. Hay que pensar que en estos
centros se investiga "ciencia básica", conocimientos que son los fundamentos de los
grandes avances tecnológicos que influirán decisivamente en todos los aspectos de la vida
humana. Descubrir la causa de la gravedad tendría repercusiones inimaginables.
FUERZA NUCLEAR DEBIL
La fuerza débil o fuerza nuclear débil actúa entre
partículas elementales.
La fuerza nuclear débil es importante en la
velocidad de reacción de algunas reacciones
nucleares que ocurren en estrellas. También está
presente en el origen de las explosiones volcánicas.
La transformación de hidrógeno en helio
produciendo deuterio, está causada por la fuerza
débil. Sin esta fuerza nuestro universo sería muy
diferente, un universo en tinieblas, sin estrellas ni
galaxias que dieran luz.
La vida media del Sol está determinada por las
características de esta fuerza.
La fuerza débil es una fuerza de corto alcance, menos de una billonésima de
milímetro: 10-13mm. A una distancia mayor, la intensidad de esta fuerza ya es
despreciable.

6. Si la fuerza débil tuviera un valor de 1,
la fuerza electromagnética tendría un valor de 1.000
y la fuerza fuerte tendría un valor de 100.000.000.000
Aunque es muchísimo más débil que las otras dos fuerzas
nucleares, la fuerza débil es importante ya que hace posible
que el Sol y las estrellas produzcan luz y energía.
La fuerza débil causa un tipo de desintegración radiactiva llamada "desintegración beta".
Un ejemplo de desintegración beta es la desintegración del neutrón cuando se convierte
en 1 protón + 1 electrón + 1 neutrino
La interacción débil afecta a todo leptón con quiralidad zurda y a los quarks. Es la única
fuerza que afecta a los neutrinos (excepto por la gravitación, que no se la puede evitar a
escalas del laboratorio). La interacción débil es la única en varios aspectos:
Es la única interacción capaz de cambiar su sabor
Es la única interacción que viola la paridad de la simetría P (ya que sólo actúa sobre
electrones, muones y tauones de izquierdas). Esta es también la única que viola la simetría
CP.
Es la que media entre los bosones de gauge pesados. Esta característica inusual es
explicada en el modelo estándar por el mecanismo de Higgs.
Debido a la gran masa de las partículas que transportan la interacción débil (cerca de los
90 GeV/c2), su vida media está limitada a cerca de 3×10-27 segundos, por el principio de
incertidumbre. Incluso a la velocidad de la luz este límite efectivo del rango de la
interacción débil de 10-18 metros, cerca de mil veces más pequeña que el diámetro del
núcleo atómico.
Ya que la interacción débil es a muy cortas distancias y muy débil, sus efectos más
considerables son debido a otra condición única: su cambio de sabor.
Considere un neutrón (contiene un quark up y dos quark down), aunque el neutrón es más
masivo que su "hermano" nucleón (m(neutrón)= 939.5653 MeV, m(protón)=938.27203
MeV), no puede decaer en un protón (contiene dos quark up y un quark down) sin cambiar
el sabor de uno de los quarks down.
La interacción fuerte o el electromagnetismo no pueden cambiar su sabor, por lo que ésto
sólo puede ocurrir a través de un decaimiento débil. En este proceso, un quark down de
un neutrón se transforma en un quark up emitiendo un bosón W, que luego se rompe en
electrones de alta energía y un antineutrino electrónico. Los electrones altamente
energéticos son radiación beta, esto es llamado desintegración beta.
Debido a la debilidad de la interacción débil, los decaimientos débiles son muy lentos
comparados con los decaimientos fuertes o con los electromagnéticos. Por ejemplo, un

7. decaimiento electromagnético de un pión neutro tiene una vida de unos 10-16 segundos;
un decaimiento débil cargado con un pión vive cerca de 10-8 segundos, cien millones de
veces más largo. Un neutrón libre vive cerca de 15 minutos, por lo que es la partícula
subatómica inestable con la vida media más larga que se conoce hasta ahora.
Hay tres tipos básicos de vértices de la interacción débil (hasta la conjugación de la carga
y el cruce simétrico). Dos de ellos consisten en bosones cargados, que son llamados
"interacciones de corriente cargada". El tercer tipo es llamado "interacción de corriente
neutral".
Un leptón cargado (un electrón o un muón) puede emitir o absorber un bosón W y
convertirlo en su correspondiente neutrino.
Un quark down (con carga -1/3) puede emitir o absorber a un bosón W y convertirlo en
una superposición de quark up. Al contrario, un quark up puede convertir en una
superposición de quarks down. El contenido exacto de la superposición es dado por la
matriz CKM.
O bien un leptón o un quark puede emitir o absorber un bosón Z.
Dos interacciones de corrientes cargadas juntas son responsables del fenómeno de la
desintegración beta. La interacción de corriente neutra fue la primera que se pudo
observar en un experimento de dispersión de neutrinos en 1974 y en un experimento de
colisiones en 1983.
Las leyes de la naturaleza siguen siendo las mismas si se las mira con un espejo de
reflexión: la inversión de todos los espacios euclidianos. Es de esperar que los resultados
de un experimento observado a través de un espejo sean idénticos a los resultados en una
copia de otro espejo reflejado de un aparato experimental. Esto se denomina ley de
conservación de la paridad y se postula que respeta la gravitación clásica y el
electromagnetismo; se asume que la ley de conservación de la paridad es una ley
universal. Sin embargo, a mediados de los años 1950, Chen Ning Yang y Tsung-Dao Lee
sugirieron que la interacción débil podría violar esta ley. Chien Shiung Wu y otros
colaboradores descubrieron en 1957 que la interacción débil violaba la paridad. Yang y
Lee obtuvieron el Nobel de Física de 1957 por su trabajo.
Aunque la interacción débil suele ser descrita mediante la teoría de Fermi, de una
interacción de contacto de cuatro fermiones, el descubrimiento de la violación de la
paridad y la teoría de renormalización sugiere que es necesario utilizar un nuevo
enfoque. En 1957, Robert Marshak, George Sudarshan y posteriormente Richard
Feynman y Murray Gell-Mann propusieron un V-A (vector menos un vector axial o un
quiral derecho) lagrangiano para interacciones débiles. En esta teoría, la interacción débil
actúa solo en las partículas derechas (y las antipartículas también). Si la reflexión del
espejo de una partícula izquierda es una partícula derecha, esto explica la máxima
violación de la paridad.
Los físicos tuvieron una nueva sorpresa cuando en 1964, James Cronin y Val Fitch
encontraron una evidencia clara en una desintegración de un kaón, de que la simetría CP
también podía ser rota. Gracias a este descubrimiento ganaron el premio Nobel de Física

8. de 1980. A diferencia de la violación de la paridad, la violación CP tiene efectos muy
pequeños.
El modelo estándar de la física de partículas describe la interacción electromagnética y la
interacción débil como dos aspectos diferentes de una única interacción electrodébil. Esta
teoría fue desarrollada en 1968 por Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven
Weinberg (los bosones W y Z). Todos ellos ganaron el Nobel de Física de 1979 por este
trabajo.
Acorde a la teoría electrodébil, a muy altas energías, el universo tiene cuatro bosones de
gauge idénticos, sin masa, similares al fotón y a un campo de Higgs escalar. Sin embargo,
a bajas energías, la simetría de un campo de Higgs tiene una ruptura espontánea de
simetría electrodébil por el mecanismo de Higgs. El rompimiento de la simetría produce
tres bosones de Goldstone sin masa que son "comidos" por tres de los fotones, como
campos, dándoles su masa. Estos tres campos se convierten en bosones W y Z de la
interacción débil, mientras que la cuarta permanece sin masa y es un fotón del
electromagnetismo.
Aunque esta teoría tiene un numero de predicciones impresionantes, incluyendo una
predicción de la masa de un bosón Z antes de su descubrimiento, el bosón de Higgs por
sí mismo nunca ha sido observado. Producir un bosón de Higgs será el mayor logro del
LHC que se ha construido en el CERN, en Ginebra.
FUERZA NUCLEAR FUERTE
La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas que el modelo estándar actual de la
Física establece para explicar las interacciones entre las partículas conocidas.
Dentro del núcleo atómico, los protones tienen
carga eléctrica positiva. Se sabe que cargas
eléctricas de mismo signo, se repelen
mutuamente. Si sólo existiera la fuerza
electromagnética, los protones se dispersarían y el
núcleo no podría existir.
La fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos
a los protones en el núcleo, a pesar de la fuerza de
repulsión eléctrica. La fuerza nuclear es un
centenar de veces más intensa que la fuerza
electromagnética y gracias a ella los nucleones
(protones y neutrones) permanecen unidos.
Los neutrones no poseen carga eléctrica, pero están
sometidos a la fuerza nuclear fuerte.
Protones y neutrones unidos por
la fuerza nuclear fuerte
Contrariamente a las fuerzas de gravedad y electromagnética que tienen un alcance
infinito, la fuerza nuclear fuerte es de muy corto alcance: su radio de acción es menor que
una billonésima de milímetro, 10-13mm, ligeramente menor que el tamaño del

9. núcleo. Como su alcance es menor que el radio del núcleo, no interactúa con otros núcleos
cercanos. Si no fuera así, todos los núcleos del universo se habrían colapsado para formar
un gran conglomerado de masa nuclear.
Si un núcleo atómico es bombardeado con un haz de neutrones, gana neutrones
adicionales y se hace más grande. Llega un momento en que la fuerza nuclear fuerte no
tiene el alcance suficiente para mantener al núcleo unido. Como resultado, el núcleo se
parte en dos, generando una gran cantidad de energía.
En 1963, cuando se supo que protones y neutrones (los
llamados nucleones) están formados porquarks, se pensó
que la fuerza fuerte actúa realmente entre los quarks.
En la teoría cuántica de campos, a cada tipo de interacción
le corresponde una familia de partículas portadoras de la
interacción.
Las partículas que transportan la fuerza fuerte nuclear que
interactúa entre los quarks se denominangluones.
La fuerza nuclear fuerte se deduce del requisito de que las ecuaciones que describen a los
quarks deben ser las mismas, independientemente de cómo se elija la definición de los
colores de los quarks.
Las portadoras de la fuerza nuclear fuerte son ocho partículas denominadas gluones (de
"glue", pegamento). La fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil pertenecen a
las "fuerzas electrodébiles" y se fundan en una simetría diferente.
Las portadoras de las fuerzas electrodébiles son cuatro partículas: el fotón, el bosón Z, el
bosón W+ y el bosón W-.
Por lo tanto, actualmente se dice que la fuerza que mantiene unidos a protones y neutrones
en el núcleo del átomo, es la fuerza que actúa entre los quarks (quarks up y quarks down)
por intermedio de los gluones. Esta interacción sería, en último caso, la que hace que
protones y neutrones permanezcan unidos formando el núcleo de un átomo.
La teoría denominada "cromodinámica cuántica" considera que la fuerza fuerte se ve
modificada por la carga de color de la partícula. En el modelo estándar de la física de
partículas, a losquarks y a los antiquarks se les asigna una característica adicional
denominada "carga de color".
Los gluones son eléctricamente neutros, pero también tienen "carga de color" y por ello
también están sometidos a la fuerza fuerte. Esta teoría explica las interacciones fuertes
entre partículas nucleares en función de la "fuerza de color" entre quarks y antiquarks.
Los quarks y los gluones son las únicas partículas fundamentales que contienen carga de
color que no se anula, y que por lo tanto participan en las interacciones fuertes.

10. FUERZA ELECTROMAGNETICA
La unidad de carga eléctrica elemental, es decir, la más
pequeña observable, es la carga que tiene el electrón. Se dice
que un cuerpo esta cargado eléctricamente cuando tiene
exceso o falta de electrones en los átomos que lo componen.
Dos partículas con cargas eléctricas de mismo signo, se
repelen.
Dos partículas con cargas eléctricas de distinto signo, se
atraen.
En ambos casos, se trata de una fuerza que es directamente proporcional a las cargas
eléctricas y que disminuye con el cuadrado de la distancia que las separa.
La fuerza electromagnética disminuye notablemente con las distancia, pero tiene un
alcance infinito. La fuerza electromagnética es unas 100 veces menor que la fuerza
nuclear fuerte.
Si la fuerza gravitacional tuviese magnitud 1, la fuerza débil tendría un valor
de 1034 (enormemente superior), la fuerza electromagnética tendría un valor de 1037 y
la fuerza fuerte tendría un valor de 1039.
El hecho de que la fuerza fuerte sea unas 100 veces más potente que la fuerza
electromagnética, explica que los protones del núcleo de un átomo se mantengan
férreamente unidos. Al tener cargas eléctricas positivas, los protones se repelen entre sí;
pero la fuerza nuclear fuerte los atrae con una intensidad 100 veces mayor.
Los neutrones del núcleo atómico no tienen carga eléctrica que los haga interactuar, pero
la fuerza fuerte hace que se atraigan entre sí y con los protones.