La palabra fundamental generalmente significa independiente y única o neutral. En términos muy generales, la fuerza fundamental es la fuerza original o independiente, es decir, aquellas fuerzas que no se originan en ninguna otra fuerza o forma de ninguna otra fuerza, sino en todas las demás fuerzas que se originan en ella o solo en la transformación de estas fuerzas, se denominan fuerzas fundamentales. . Al organizar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza en orden de debilidad, obtenemos:
- Fuerza gravitacional
- Fuerza nuclear débil.
- Fuerza electromagnetica.
- Fuerte fuerza nuclear.
Fuerza gravitacional
La fuerza de atracción entre dos objetos cualesquiera en el universo se llama fuerza gravitacional. Isaac Newton dio esta idea en su Philosophia Naturalis Principia Mathematica en 1687 d.C. Fue el primero en dar una explicación matemática de la fuerza gravitacional conocida como ley de gravitación de Newton. Sin embargo, en la física moderna, la gravedad se describe más claramente mediante la teoría general de la relatividad. Según Einstein, la fuerza gravitacional se crea debido a la curvatura del espacio-tiempo. Sin embargo, los científicos creen que esta fuerza actúa mediante el intercambio mutuo de una partícula llamada gravitón entre dos objetos. Esta fuerza de atracción no sólo fue descubierta por Newton sino que también se aplicó con éxito para establecer las leyes del sistema solar.
La ley de gravitación de Newton es: “Cada partícula de este universo se atrae entre sí, el valor de esta fuerza de atracción es proporcional al producto de la masa de las dos partículas y es proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Esta fuerza actúa a lo largo la línea recta que conecta sus centros.”
La fuerza gravitacional es una fuerza bien conocida en la vida cotidiana porque imparte peso a cualquier objeto con masa, lo que hace que el objeto caiga al suelo cuando se deja caer. La Tierra y otros planetas giran alrededor del sol debido a la gravedad. Sentimos peso debido a la fuerza de la gravedad. No hace falta decir que esta fuerza gravitacional es la más débil entre las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Por ejemplo, la fuerza gravitacional entre un protón y un electrón en un átomo de hidrógeno es sólo 3,6×10^-47N, mientras que la fuerza electrostática entre las dos partículas es aproximadamente 2,5×10^-8N.
Sin embargo, esta fuerza puede llegar a ser bastante importante si los dos objetos tienen masas muy grandes. Por ejemplo el Sol y la Tierra. Eso significa que la gravedad actuará entre dos objetos que tienen masa. La razón por la que es tan importante para nosotros, aunque sea débil, es que esta fuerza tiene un alcance infinito y siempre es atractiva. Pero las otras tres fuerzas de la naturaleza son a veces atractivas y a veces repulsivas. Esto deja la posibilidad de que se cancelen entre sí, lo que no ocurre con la gravedad. Y por eso, aunque la fuerza de gravedad es la menos poderosa, su efecto está en todas partes. Ahora estamos hablando de cómo la fuerza de gravedad actúa entre dos objetos y por qué su alcance es mayor.
Desde el punto de vista de la mecánica cuántica, la fuerza entre dos partículas de materia es transportada por una partícula sin masa y sin carga llamada gravitón con espín 2 (partículas que se ven como cuando giran a través de un semicírculo, es decir, 180 grados. Por ejemplo, un rey o carta reina de una carta). que ya hemos visto. Y como esta partícula no tiene masa, la fuerza (fuerza gravitacional) que transporta esta partícula será muy larga, es decir, puede intercambiar fuerzas a gran distancia. Se dice que la fuerza gravitacional entre el sol y la tierra es causada por el intercambio mutuo de partículas llamadas gravitones. En este caso, al gravitón también se le llama partícula mensajera, aunque se trata de una partícula imaginaria. Lo que los físicos clásicos llamaban ondas gravitacionales son gravitones.
Sin embargo, como las ondas gravitacionales son tan débiles, nunca han sido detectadas ni observadas. Esta fuerza gravitacional puede explicar todo, desde la caída de un objeto al suelo hasta la formación de agujeros negros y galaxias a gran altura. La fuerza gravitacional se explicó por primera vez matemáticamente. Aunque Newton descubrió la ley universal de la gravitación, no pudo explicar su origen ni su causa. Creía que las religiones del “espacio” y el “tiempo” son eternas-inertes y no se ven afectadas por la presencia o ausencia de energía. Su idea era que la gravedad es la religión de la materia (inerte), no relacionada de ninguna manera con el espacio y el tiempo. Más tarde, Einstein explicó, con la ayuda de la teoría general, que la materia no es una religión inherente a la materia. La gravedad no es una fuerza como otras fuerzas. Es simplemente producto de la curvatura del espacio-tiempo provocada por la presencia de materia. Por lo tanto, desde Aristóteles hasta Galileo, Newton explicó la fuerza de gravedad, pero la base de nuestra comprensión actual de esto es el principio de relatividad de Einstein.
Fuerza electromagnetica
Un tipo de fuerza de atracción o repulsión entre dos objetos cargados o entre dos materiales magnéticos se llama fuerza electromagnética. Mientras tanto, un átomo o una molécula adquiere estabilidad mediante la interacción de estas fuerzas. Esta fuerza es responsable de las reacciones químicas. Gracias al trabajo de científicos y físicos teóricos como Coulomb, Faraday y Ampere, se reveló la naturaleza de la fuerza magnética inducida. Maxwell perfeccionó la naturaleza de esta fuerza colocándola en un modelo matemático. Maxwell fue el primero en establecer la electricidad, el magnetismo y la energía luminosa como una sola entidad. Es decir, la electricidad y el magnetismo son dos propiedades diferentes, pero se analizan juntas porque una de ellas puede producir la otra. Cuando las corrientes o cargas eléctricas se mueven, crean un campo magnético.
Nuevamente el campo magnético cambiante crea el campo eléctrico. El límite efectivo de esta fuerza es infinito, el portador de la fuerza es una partícula de fotón constante de masa cero. La fuerza magnética inducida obedece a la simetría de paridad de la reactancia. Un fotón es una partícula ficticia sin masa con espín 1 (que cuando se gira 360 grados parece un as de cartas) que sirve como partícula mensajera en el campo magnético. Y como esta fuerza es transportada por partículas sin masa, su alcance también se extiende hasta el infinito.
Fuerza nuclear débil
Sabemos que existen en la naturaleza algunas partículas elementales (con masa atómica superior a 82) cuyos núcleos se rompen espontáneamente. Lo cual se conoce como radiactividad y todos estos núcleos se llaman núcleos radiactivos. Durante la desintegración, estos núcleos emiten unos rayos conocidos como rayos radiactivos. En 1899, Rutherford y Villard, con la ayuda de varios experimentos, afirmaron que son alfa con carga positiva, beta con carga negativa y gamma sin carga. Cuando se emite una partícula beta desde un núcleo radiactivo, también se emite una cierta cantidad de energía, que es ligeramente mayor que la energía cinética de la partícula beta.
Ahora surge la pregunta: si la partícula beta transporta una pequeña parte de esta energía, ¿cuál es la fuente del resto de la energía? En 1930, W. Pauli propuso que la energía restante la transportaba otro tipo de partícula que se emitía junto con la partícula beta. Esta partícula se llama neutrino. Estas partículas beta y neutrinos forman una fuerza nuclear débil. Veamos un ejemplo,
El número total de nucleones en un átomo de cesio es 137. Es decir, el número total de protones y neutrones que contiene es 137. El número total de protones en el cesio es 55. Ahora bien, si “de alguna manera” un neutrón puede convertirse en protón, entonces No hay cambio en el número total de nucleones, dado que un protón aumenta a 56, el átomo ya no será un átomo de cesio. Entonces se convertirá en un átomo de bario con número atómico 56. Y la responsable de esto es la fuerza nuclear débil. Durante este cambio o desintegración se emitirá un antineutrino electrónico junto con un electrón. Pero lo interesante es que a los científicos les lleva mucho tiempo comprender esta fuerza débil.
Fuerza nuclear fuerte
Como sabemos, un centro atómico o núcleo está compuesto por partículas cargadas, protones, y partículas neutras, neutrones. La fuerza que mantiene a los protones y neutrones dentro del núcleo y le da estabilidad al núcleo se llama fuerza nuclear fuerte. Es extremadamente fuerte y neutral en cuanto a cargas. En otras palabras, los protones están activos entre protones, los neutrones están activos entre neutrones y los protones y neutrones son igualmente activos. Su efectividad es en distancias muy cortas y se extiende solo dentro de distancias en el rango de Fermi (10-15).
Es esencialmente una atracción pero puede aparecer como una repulsión a cierta distancia. Es necesario para la estabilidad del núcleo.
Consideremos ahora un átomo de helio. Su núcleo tiene dos protones y dos neutrones. Además, dos electrones orbitan fuera del núcleo. Sabemos por la ley de Coulomb en el campo del magnetismo que las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen. Pero si miras de cerca, solo hay dos protones en el núcleo de helio, que tiene la misma carga y los electrones orbitales externos también atraen a estos protones cargados positivamente. Aun así, no se alejan ni se rechazan. Es decir, aquí actúa una fuerza más fuerte que la fuerza de Coulomb a una distancia muy corta. lo que permite que dos protones idénticos coexistan. Aquí es donde actúa la fuerza nuclear fuerte, que es la más fuerte de las cuatro fuerzas fundamentales.
Se cree que esta fuerza se crea como resultado del intercambio de una partícula con espín 1 llamada mesón entre nucleones (protones y neutrones). Mientras continúe este intercambio de mesones, los nucleones podrán retenerse entre sí. Sin embargo, para que se produzca este intercambio de mesones, los nucleones deben estar muy cerca porque ya sabemos que la fuerza nuclear fuerte actúa en una distancia muy corta. Y esta distancia es de un metro que es igual al radio de un núcleo. Sólo a esta distancia los nucleones se mantendrán unidos gracias a la fuerza nuclear fuerte. Pero si la distancia es mayor, la fuerza nuclear fuerte ya no actuará. Entonces ganará la fuerza magneto-magnética y debido a su efecto habrá repulsión entre los nucleones.
Consolidación de la Fuerza
Aunque Maxwell ya había unificado las fuerzas eléctricas y magnéticas, casi 100 años después, en 1961, Sheldon Glasho presentó una teoría para unificar las fuerzas ferromagnéticas y nucleares débiles. Pero estaba incompleto. Más tarde, dos científicos llamados Salam y Weinberg dieron la plenitud de esta teoría que se conoció como “Interacción Electrodébil” o “Interacción Magnética-Movida”.
