Interacciones de la materia

Por: Francisco Vidarte

En principio, todo y sólo lo que es sujeto de verificación experimental puede ser objeto de la ciencia.  En la física, que es la ciencia de la "physis": la naturaleza material en todos los niveles, todo nuestro conocer humano supone la existencia objetiva del mundo. El conocimiento sobre un objeto tiene su origen en la interacción entre un sujeto inteligente y el objeto.
Donde el conocimiento sensorial se convierte en el criterio de validez para las ciencias de la materia: sólo es científicamente aceptable aquello que puede, en principio, ser sometido a comprobación experimental. La ciencia de la materia avanza por su independencia de factores subjetivos. En cada avance debe incorporarse todo aquello que era dato comprobado y una relación

El concepto de "modelo" en las ciencias de la materia se refieren a un esquema explicativo que permite buscar propiedades y regularidades que luego son expresables como teorías y leyes; para un nuevo desarrollo (teorías) o según su capacidad predictiva hacia el futuro y hacia el pasado (leyes).
Las tres leyes de la Mecánica de Newtón sientan una base tan firme y esencial para la Física, por primera vez se incluye implícitamente  un influjo mutuo de los cuerpos, aun sin contacto físico.
En 1838, se halla la prueba experimental del paralelaje estelar, abriéndose así el panorama delas distancias fuera de nuestro sistema planetario, que llegarán a establecer en el siglo XX la estrucutra de la Vía Láctea y, finalmente, de todo el Universo observable.

Todos los cuerpos materiales interactúan entre sí en el sentido de que unos ejercen fuerzas sobre los otros.  La fuerza es una función de las propiedades de la partícula y de las de su entorno.


En nuestra experiencia cotidiana encontramos una gran variedad de fuerzas, que relacionamos con diversos agentes. Así hablamos de la fuerza muscular que ejercemos al empujar un armario sobre el piso, de la fuerza de rozamiento que el piso hace sobre aquél, de la fuerza elástica en un muelle estirado, de la fuerza gravitatoria que la Tierra ejerce sobre la Luna, de
la fuerza de origen eléctrico que pone en marcha el motor de un automóvil, de la fuerza hidráulica que acciona los frenos del mismo o de la fuerza mecánica que lo detiene si tiene la desgracia de colisionar contra una farola. Con independencia del número de nombres que damos a las fuerzas que usamos o que simplemente conocemos, existen solamente dos fuerzas fundamentales que gobiernan el comportamiento de los cuerpos que encontramos en nuestra experiencia diaria. Estas dos fuerzas son las gravitatorias y las electromagnéticas. Todas las otras fuerzas, aparentemente diferentes, pueden considerarse como diferentes manifestaciones macroscópicas de esas fuerzas fundamentales. Así, las llamadas fuerzas de contacto entre dos cuerpos son realmente, en último análisis, de carácter electromagnético (principalmente electrostático) y representan la suma total de un número enorme de interacciones entre moléculas muy próximas entre sí. Las fuerzas de fricción viscosa que experimenta un cuerpo que se mueve en el seno de un fluido tienen también su origen en las fuerzas electromagnéticas a nivel molecular entre las numerosas moléculas del cuerpo y del fluido.
Normalmente resultará difícil (por no decir imposible) y poco práctico obtener la ley a la que obedece una fuerza macroscópica en función de las fuerzas gravitatorias y electromagnéticas (principalmente estas últimas) entre partículas submicroscópicas (moléculas, átomos, partículas elementales). Por lo tanto, las expresiones de dichas leyes de fuerza habrá que suponerlas (como hipótesis de trabajo) y obtenerlas experimentalmente.
Como ejemplos, un bloque que se desliza sobre un tablero experimenta una fuerza de rozamiento que es aproximadamente proporcional a la fuerza normal que hace el bloque contra el tablero; una esferilla que cae en un fluido viscoso está sometida a una fuerza viscosa que se opone a su movimiento y que es aproximadamente proporcional a su velocidad; la fuerza que ejerce un muelle estirado es aproximadamente proporcional a su deformación. Todas estas leyes de las fuerzas son leyes empíricas y, como vemos, aproximadas; i.e., no son leyes fundamentales de la Naturaleza. Sin embargo, las dos fuerzas fundamentales anteriormente mencionadas, las gravitatorias y las electromagnéticas, no son suficientes para describir todos los
fenómenos de la Física. El estudio de los fenómenos a escala nuclear y de partículas elementales pone de manifiesto la existencia de otras dos fuerzas fundamentales: la asociada a la denominada interacción fuerte, que mantiene juntos los nucleones
(protones y neutrones) del núcleo atómico y la asociada a la llamada interacción débil, que existe entre las partículas elementales.
Las fuerzas gravitatorias y las electromagnéticas son fuerzas de largo alcance; esto es, son efectivas a largas distancias y, por eso mismo, son responsables de los fenómenos a gran escala. Las fuerzas nucleares y las de interacción débil son fuerzas de corto alcance de modo que sus efectos sólo resultan evidentes a la escala nuclear. Sin embargo estas fuerzas desempeñan un papel crucial en nuestra existencia. La vida en la Tierra es posible gracias a la energía que, en forma de radiación luminosa, recibimos del Sol, energía que en último análisis procede de los procesos nucleares que tiene lugar en el Sol.

Las fuerzas fundamentales de la Naturaleza son cuatro:
- Fuerza gravitatoria
- Fuerza electromagnética
- Fuerza nuclear fuerte
- Fuerza nuclear débil.

• Fuerza gravitatoria: todos los cuerpos ejercen entre sí una fuerza de atracción por tener una masa distinta de cero. Newton encontró la manera de calcular esta fuerza, a través de la conocida como Ley de Gravitación Universal:
  G es la constante de Gravitación Universal, llamada así porque no depende del medio en el que se encuentren las masas que interaccionan. Su valor es 6.67 10^-11Nm²/kg².


• Fuerza electromagnética: Aparece entre partículas con carga eléctrica. Inicialmente se pensó que las cargas eléctricas eran las fuentes de la fuerza eléctrica y que los imanes eran las fuentes de las fuerzas magnéticas, siendo interacciones totalmente independientes. Posteriormente, Maxwell unificó ambas teorías en las ecuaciones de Maxwell, demostrando que las cargas en movimiento son las fuentes de las fuerzas magnéticas, por lo que se pasó a hablar ya de una única fuerza, la fuerza electromagnética.
La fuerza que actúa entre cargas en reposo (fuerza electrostática) responde a la Ley de Coulomb:
k es la es la constante de Coulomb, que depende del medio. En el vacío vale 9 10⁹Nm²/C^2.

Observando la expresión de la Ley de Coulomb, se cumple que cuando las cargas eléctricas son de distinto signo la fuerza es atractiva, cuando las cargas son del mismo signo, la fuerza es repulsiva.

• Fuerza nuclear fuerte: Si cargas del mismo signo se repelen, ¿cómo es posible que los protones permanezcan en posiciones estables dentro del núcleo? Las distancias entre ellos son del orden de 10^-15 m, por lo que la fuerza de repulsión electrostática es muy grande (del orden de 230 N). La estabilidad de los núcleos atómicos se explica gracias a una nueva interacción (nuclear fuerte) de distinta naturaleza que la electrostática, que actúa de forma atractiva entre protones y neutrones.  Su alcance es sólo del orden del tamaño del núcleo atómico, por lo que no forma parte de nuestra experiencia cotidiana.
• Fuerza nuclear débil: Esta fuerza es muy compleja, baste con indicar que es la responsable de la desintegración de los núcleos radiactivos y también de la producción de radiación y energía calorífica en el sol mediante procesos de fusión nuclear.

Todas las fuerzas observadas pueden explicarse en función de cuatro interacciones básicas:

– Fuerza gravitatoria

– Fuerza electromagnética

– Interacción nuclear fuerte, que se encarga de que los núcleos atómicos sean estables, esto es, que no se desintengren debido a la repulsión de los protones (partículas de carga positiva).

– Interacción nuclear débil, responsable de la desintegración beta de los neutrones.

La desintegración beta de los neutrones es un proceso por el cual la partícula neutrón (partícula con masa, pero sin carga efectiva), cuando se encuentra fuera del núcleo atómico, se convierte en un protón, emitiendo un electrón (radiación beta) y un antineutrino (de forma que se mantenga el principio de conservación de la energía).

Estas interacciones responden a leyes distintas, aunque a lo largo de la historia de la física se han hecho grandes esfuerzos, sin éxito, por encontrar una ley que las unificara, en lo que se conoce como“Teoría del Todo” , hasta ahora se han unificado tres de ellas (excepto la gravitatoria). 

Estas fuerzas se combinan entre sí a nivel macroscópico para dar lugar a las fuerzas que detectamos en la vida cotidiana.