Читать книгу Construir el mundo - Enrique Gracián - Страница 22

En el universo hay cuatro fuerzas fundamentales que son: la fuerza de la gravedad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil¹.

Es de la fuerza de la gravedad de la que tenemos una percepción más directa. La que nos tiene pegados al suelo. También es la más misteriosa y a la que le dedicaremos más tiempo en la segunda parte del libro.

Las fuerzas fuerte y débil son las que actúan en las distancias cortas. En los primeros pasos para construir los elementos del casillero explicamos cómo se construían los protones y los neutrones a partir de unas piezas elementales llamadas cuarks. Pues bien, la fuerza que mantiene unidos a los cuarks es la fuerza nuclear fuerte. Y una parte de esta fuerza, que recibe el nombre de fuerza fuerte residual, es la responsable de mantener unidos a los neutrones y los protones en el núcleo. La nuclear fuerte hace acto de presencia cuando los protones están lo suficientemente cerca los unos de los otros. La idea es la siguiente: si intentamos acercar dos protones nos encontraremos con una fuerza de repulsión, la electromagnética, que trata de impedirlo y que cuanto más acerquemos entre sí los protones más potente será, hasta que sobrepasada una cierta distancia, que es cuando empieza a actuar la fuerza nuclear fuerte, que se impone sobre la anterior y ya no hay quién separe a los protones.

Al intentar unirlos, los protones se repelen entre sí hasta alcanzar una cierta distancia (marcada por la línea punteada) a partir de la cual aparece la fuerza de atracción.

La fuerza débil, que de débil tiene poco, es la responsable de acciones un tanto más sofisticadas. Para ser concretos es la que hace que un protón se pueda convertir en un neutrón y viceversa. Es la que interviene en los procesos de fusión nuclear como los que tienen lugar en las estrellas o en aquellos sitios en donde hemos dejado caer una bomba de hidrógeno.

Hasta aquí he hablado de la fuerza eléctrica de atracción o repulsión entre cargas eléctricas. Sin embargo, al hablar de las cuatro fuerzas fundamentales, me he referido a ella como la fuerza electromagnética. Voy a aclarar esta cuestión.

Las cargas eléctricas pueden ser positivas o negativas. Las cargas del mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen.

Con los imanes sucede algo muy parecido. (En este caso no se habla de cargas positivas y negativas sino de polos norte y sur). Los polos iguales se repelen y los opuestos se atraen.

La fuerza que interactúa entre los polos de los imanes se llama fuerza magnética. Si alguna vez has jugado con imanes habrás observado que cuando están juntos cuesta mucho separarlos, pero conforme se van distanciando la fuerza que hay que hacer es cada vez menor. Esto es debido a que es un tipo de fuerza que, como la eléctrica, también decrece con la distancia.

Cuando un imán se mueve se genera una corriente eléctrica. Esto lo descubrió en 1831 Michael Faraday (1791-1867).

Esta es la forma en cómo se genera la electricidad en las centrales eléctricas: moviendo unas grandes ruedas con imanes (dinamos) en torno a cables por los que va a circular la corriente generada. Para hacer girar las dinamos se utilizan o bien la energía potencial de los saltos de agua acumulada en los pantanos o bien turbinas de vapor a alta presión, para lo cual hay que calentar una caldera de vapor. El calor necesario puede venir de diferentes fuentes, carbón, petróleo, biomasa o energía nuclear. Que nadie se lleve a engaño porque al final lo que acabamos haciendo siempre, mediante la utilización de estas fuentes de energía, es eso: calentar agua.

En 1820 Hans Christian Oersted, físico-químico danés, descubrió, de forma casual, que cuando se enrollaba un hilo eléctrico en torno a una barra de hierro y se hacía circular una corriente por dicho hilo, la barra se convertía en un imán.

De lo que se podía concluir que la circulación de corriente generaba un campo magnético. Este es el fundamento físico de cualquier motor eléctrico.

Podríamos plantearnos la posibilidad de utilizar la electricidad que produce una dinamo para alimentar el motor que la hace mover. Tendríamos así una fuente de energía inagotable. Es una pena, pero esto no es posible porque vivimos en un mundo en el que no existe lo que se llama el movimiento continuo. Es una ley inexorable. Hagamos lo que hagamos siempre hay un gasto de energía que no podemos recuperar. Una vez más las leyes de la naturaleza nos dicen qué es lo que podemos y lo que no podemos hacer.

Los experimentos de Faraday y Oersted habían puesto de manifiesto una estrecha relación entre los fenómenos eléctricos y los magnéticos. Por tanto, debía existir también una relación directa entre las fuerzas asociadas a estos fenómenos, o sea una teoría capaz de unificar las fuerzas eléctricas y las magnéticas. En la ciencia, las teorías adquieren consistencia en el momento en que hay fórmulas capaces de representarlas. En este caso, las fórmulas vinieron de la mano de una de las mentes más preclaras de la historia de la física: James Clerk Maxwell, que con cuatro ecuaciones resolvió de un plumazo el problema de la unificación, dando nacimiento a lo que hoy conocemos como electromagnetismo.

Las ecuaciones son estas (las dejo aquí solo porque son bonitas, no pretendo que se entiendan).

Con esto queda justificado el término «fuerza electromagnética» que se le da a una de las cuatro fuerzas fundamentales.

En el momento actual de nuestra historia, como civilización tecnológica que somos, la dependencia de las fuerzas electromagnéticas (gracias a las que fabricamos electricidad) es absolutamente crítica. Si nos «desenchufaran», el sistema colapsaría en veinticuatro horas, que es más o menos el tiempo que tardaríamos en volver a situarnos en la Edad Media.

Las cuatro fuerzas fundamentales comparten una característica común: todas ellas actúan a distancia, lo que les imprime un cierto toque mágico. La física cuántica da una explicación sobre esta misteriosa manera de actuar, pero es una explicación excesivamente compleja para incluirla en este texto. Voy a poner de todas maneras un símil, algo impreciso pero intuitivo, de cuál es el requerimiento básico de una acción a distancia.

Supongamos que tenemos en el suelo una caja con una argolla y que la queremos subir hasta una cierta altura. Para ello atamos una cuerda en la argolla y tiramos hacia arriba. Lo que estamos haciendo es transmitir una fuerza a la caja por medio de la cuerda.

Para resolver el misterio que rodea a las fuerzas que actúan a distancia debemos encontrar algo que transmita la fuerza, es decir, algo que cumpla la función de la cuerda del ejemplo anterior.

Las cuatro fuerzas fundamentales tienen (o deberían tener) algún tipo de elemento que sea capaz de transmitir la fuerza. Y así es. Las fuerzas se transmiten gracias a unas partículas subatómicas que hacen las veces de cuerda. Por ejemplo, en el caso de la fuerza nuclear fuerte este agente es una partícula llamada gluon, que fue la que, en su momento (de manera simbólica), utilizamos para unir los cuarks.

En el caso de la fuerza débil hay dos partículas portadoras que reciben el nombre de bosón W y bosón Z. Y para la fuerza electromagnética contamos con los fotones. Todas estas partículas elementales están agrupadas en una familia que recibe el nombre de «bosones». No sé si recuerdas que cuando estuvimos en la tienda para comprar partículas elementales fuimos precisamente a la sección de bosones para comprar los gluones (lo de los nombres de las partículas elementales es un mareo).

¿Y qué pasa con la fuerza gravitatoria? Pues que todavía no se ha encontrado su correspondiente partícula portadora, aunque ya se le ha puesto nombre antes de nacer: gravitón².

Desde hace bastante tiempo se está llevando a cabo un esfuerzo denodado por unificar las cuatro fuerzas fundamentales. Se trata obviamente de un proyecto científico, pero que no deja de tener un cierto sesgo metafísico; encontrar una única fuerza de la naturaleza responsable de todo: «La Fuerza».

1 En física se mencionan otras fuerzas, como la de rozamiento o la hidrostática, pero todas derivan, de alguna manera, de las cuatro fuerzas fundamentales.

2 Hay una partícula más que en los últimos años ha alcanzado una cierta popularidad en los medios de comunicación que es el llamado bosón de Higgs, responsable directo de que las partículas posean una determinada masa.