Hay una infinidad de fuerzas a nuestro alrededor, pero todas ellas se pueden reducir a cuatro, las conocidas como las cuatro fuerzas fundamentales.
- ¿Qué son las fuerzas?
Una pregunta tan sencilla como esta no tiene una respuesta fácil. Traten, si no, de responderla ustedes mismos, sin recurrir a un lenguaje técnico ni matemático alguno... Difícil, ¿verdad? El mismo problema se le presentó a Isaac Newton cuando en su obra cumbre, Los principios matemáticos de la filosofía natural, tuvo que explicar el mismo concepto de fuerza, diciendo que fuerza era aquello que alteraba el movimiento de los cuerpos. El movimiento relativo, no el absoluto, naturalmente. Pero llegar a distinguir el movimiento relativo del absoluto entraña una gran dificultad, todavía no resuelta. En su tiempo (s. XVII), se generó gran número de debates y discusiones.
Claro que todos tenemos una cierta idea de lo que son las fuerzas. Durante la etapa escolar, alguna que otra vez nos hablaron del peso y de la ley de la gravedad, y de la fuerza eléctrica y del rozamiento... Hay una infinidad de fuerzas a nuestro alrededor, pero todas ellas se pueden reducir a cuatro, las conocidas como las cuatro fuerzas fundamentales.
- El primer problema: la acción a distancia
Otra pregunta aparentemente sencilla: ¿a través de qué se transmiten las fuerzas? En el caso de las fuerzas de contracto, es fácil responder. Cuando un tractor tira de un remolque, lo hace a través de un sistema de engranaje; cuando caminamos, el rozamiento de la suela de nuestros zapatos con el suelo nos hace avanzar. El problema es que las fuerzas de contacto no son fundamentales, son manifestaciones de la fuerza eléctrica que repele los electrones situados en la corteza de los átomos de la superficie de los objetos. Como los electrones tienen carga eléctrica negativa, se repelen entre sí, y así se produce la impenetrabilidad de los cuerpos, apareciendo la ilusión de las fuerzas de contacto. Pero el problema sigue estando ahí: ¿a través de qué se transmiten las fuerzas eléctricas? Porque los electrones no están en contacto entre sí.
Con la fuerza de la gravedad (el peso) se presenta el mismo problema. Todos hemos estudiado que es la fuerza que hace girar a la Tierra alrededor del Sol. ¿A través de qué se transmite la fuerza? A través del vacío no puede ser, pues la física cuántica ha demostrado que el vacío no existe. P.A.M. Dirac, físico teórico descubridor de las antipartículas, postuló que lo que llamamos vacío no es más que un mar de partículas con energía negativa; cuando una de ellas recibe la suficiente energía para salir del mar, gracias a una partícula luminosa (un fotón), surge hacia nuestro mundo una partícula (por ejemplo, el electrón) y en el mar queda un agujero, la antipartícula (en este caso, el positrón). Así pues, el vacío no existe, y la acción a distancia no tiene sentido.
- El segundo problema: el campo
Naturalmente, este problema no surgió en el siglo XX ni con la mecánica cuántica. Para tratar el problema de la transmisión de las fuerzas, Faraday introdujo la noción de campo, como el medio en el cual una ley física tiene validez. Por tanto, una masa crea un campo gravitatorio, que interacciona con otra masa, apareciendo entonces la fuerza gravitatoria entre las dos masas. El concepto de campo se puede generalizar para todas las fuerzas, no solamente para la gravitatoria.
Pero la idea de campo lo único que ha hecho es trasladar el problema al mundo subatómico, el de los protones, los neutrones y los electrones. No podemos imaginarnos las partículas subatómicas como bolitas; la mecánica cuántica lo prohíbe. De hecho, cada partícula lleva asociada una onda, lo que hace que sea muy difícil, casi imposible, hacernos una imagen física de ella.
Hoy en día se describen las partículas y las fuerzas que se ejercen entre sí mediante la teoría cuántica de campos. A través de argumentos matemáticos, esta teoría defiende la idea de que las partículas no son sino los diferentes estados de excitación de un campo, que ya no es la región del espacio que vimos anteriormente, sino un espacio abstracto que sólo se puede describir matemáticamente. Ya no es posible dar a las partículas y a las fuerzas formas geométricas. El mundo subatómico, sobre el cual se asienta toda la materia y todo el mundo que conocemos, es imposible de representar en términos e ideas del mundo que nos rodea. Las imágenes de nuestro mundo cotidiano no son válidas para representar el mundo de lo infinitamente pequeño.
Las partículas y las fuerzas (interacciones) entre ellas son todas invisibles tal cual. Solo podemos ver las huellas que dejan en algunos materiales.
- Las cuatro interacciones fundamentales: la unificación
La física contemporánea hace intervenir cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, responsable de las fuerzas que conocemos como peso y de la estabilidad del sistema solar; la interacción electromagnética, que unifica la electricidad y el magnetismo y que es responsable de la forma cotidiana de nuestro mundo; la interacción débil, que gobierna los procesos radiactivos de descomposición beta, y la interacción fuerte, que estabiliza el mundo atómico.
Hemos visto que ni la acción a distancia ni el campo clásico sirven para describir la acción de las fuerzas. La teoría cuántica de campos nos dice que para que exista una interacción, debe intercambiarse una partícula entre los dos cuerpos, de la misma forma que cuando se lanza una pelota entre dos botes con fuerza, estos se repelen entre sí. En el mundo subatómico, en lugar de repeler, se juntan. La partícula que se intercambian mutuamente se llama bosón.
La gravitación
Todas las partículas son sensibles a la gravedad, incluso las partículas luminosas, llamadas fotones. Comparada con las otras fuerzas, es muchísimo más débil. La ventaja que tiene es que es siempre atractiva y de alcance infinito. Para que tenga importancia en el mundo cuántico, hacen falta unas energías elevadísimas, como en los primeros instantes del universo, el big bang. Por eso no se la tiene en cuenta en los procesos atómicos.
La supuesta partícula mediadora (bosón de la gravitación) es el gravitón. Como su alcance es infinito, tiene necesariamente una masa nula. Todavía no ha sido descubierto.
La interacción electromagnética
Todas las partículas que estén cargadas o que posean un pequeño imán (espín) están sometidas al electromagnetismo. La partícula que domina el intercambio es el fotón virtual, imposible de detectar como tal, pero podemos observar el fotón real como partícula luminosa. Como esta fuerza es de alcance infinito, la masa del fotón, que es su partícula mediadora, es nula.
La interacción fuerte
Es la responsable de la estabilidad del núcleo. Al estar el núcleo formado por partículas con carga positiva (protones) y partículas sin carga (neutrones), si no existiese la interacción fuerte, la fuerza eléctrica repulsiva entre los protones haría saltar el núcleo. Todas las partículas de materia no sufren la interacción fuerte. Solo un tipo especial de ellas (los hadrones) es sensible a ella. Hoy en día se piensa que las interacciones entre los nucleones (protones y neutrones) son la manifestación de interacciones más básicas entre los quarks, partículas que forman los hadrones. Del mismo modo que la carga eléctrica origina la fuerza eléctrica, la carga de color (propiedad que poseen los quarks, totalmente abstracta y que nada tiene que ver con nuestro color cotidiano) origina la interacción fuerte. La partícula mediadora de esta interacción son los gluones. El alcance de esta interacción es pequeñísimo, sólo actúa en el interior del núcleo.
La interacción débil
Responsable de la radiactividad beta, la que hace que un neutrón se descomponga en un protón, un electrón y un antineutrino. Comienza las reacciones termonucleares que permiten a nuestro sol y a todas las estrellas existentes producir, entre otras cosas, la luz que nos da vida.
La interacción débil se transmite a través de unas partículas muy pesadas (de ahí su pequeñísimo alcance), los llamados bosones vectoriales intermedios. La existencia de estos bosones fue predicha por una teoría unificadora entre la interacción electromagnética y la débil, la conocida como teoría electrodébil.
Es muy interesante comprobar que la interacción débil no es totalmente simétrica, como las demás. No obedece a la simetría por paridad, es decir, observando un experimento en el que intervenga esta interacción no se obtiene el mismo resultado al observarlo directamente que a través de un espejo.
La unificación
Un viejo sueño de la ciencia es el de encontrar la teoría total, aquella que sea capaz de describir todos los sucesos del universo a partir de unas pocas leyes sencillas. En el mundo de las interacciones se sueña con la gran unificación, una teoría que englobe a las cuatro fuerzas fundamentales.
Todavía no se ha tenido éxito en ello, ya que la gravedad no se puede introducir en los postulados de la física cuántica. El problema es peliagudo, ya que la gravedad se describe como una fuerza entre partículas esféricas, pero ya hemos visto que, en el mundo subatómico, describir las partículas con una forma determinada es un error.
En cualquier caso, la teoría de la gran unificación, si se descubriera, ¿sería capaz de describir todo el universo durante todo el tiempo presente, pasado y futuro? ¿Es posible hoy en día sostener una teoría determinista del universo, donde todo estuviera previsto y no hubiese libertad individual de los seres y las cosas? Desde luego que no. Hoy en día ya no podemos creer en un conocimiento científico totalmente encasillado, con la biología, la geología, la química, la física, la matemática... No podemos suponer que nuestro mundo, tan complejo y tan diverso, se pueda reducir a una acumulación de cosas sencillas. La aproximación construccionista, que supone la realidad como una suma de estructuras sencillas, ya no funciona.
De cualquier modo, aunque se consiguiera la gran unificación, no podríamos calcularlo todo. Las ecuaciones serían tan complejas que en la práctica serían irresolubles, salvo en casos totalmente ideales. Y además, ¿cómo se comprobarían en un laboratorio unas ecuaciones sin solución?
Parece entonces que una teoría total, de momento, es inalcanzable, y además no tendría mucho sentido. Sería imposible concebir una teoría total que al mismo tiempo englobase el pensamiento, la conciencia y la vida. Una teoría así no podría ni siquiera pensarse, ya que si engloba el pensamiento, tiene que estar fuera de él, y ya no sería una teoría formulable en términos matemáticos, y quién sabe si está fuera de la capacidad de la mente humana.
¿Hemos perdido el derecho a analizar el mundo que nos rodea? Creo que no. Podemos observar armonía, simetría y belleza en las leyes que gobiernan el cosmos. Hay una Inteligencia bajo todos los fenómenos que nos rodean. Podemos concebir el universo como penetrado por una gran Inteligencia, la cual le daría un objetivo y una finalidad.