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Aunque no sepas exactamente qué son, puedes ver los efectos de las fuerzas fundamentales en tu vida diaria. La gravedad mantiene nuestros pies en la tierra, la fuerza electromagnética alimenta nuestros dispositivos electrónicos y la fuerza nuclear débil es esencial para que el sol pueda brillar. Sin embargo, existe una fuerza cuyos efectos no son tan obvios, pero que es fundamental para nuestra existencia. Esta es la fuerza nuclear fuerte. A continuación, te contamos sobre [Música] ella.
En otros videos ya hemos hablado sobre qué son las fuerzas fundamentales. La fuerza nuclear fuerte es una de ellas. Para entender qué es la fuerza nuclear fuerte o interacción fuerte, necesitamos entender cuatro cosas: qué es un átomo, qué es la fuerza electromagnética, qué son los quarks y qué es la carga de color. En este video, te haremos una explicación resumida de cada una de ellas. Sin embargo, para entender mejor estos temas, puedes buscarlos en nuestro canal de YouTube. Teniendo esto claro, empecemos.
Todas las cosas de nuestro universo, desde este cachorrito hasta las estrellas más masivas, están formadas por átomos. Sin estos, nada podría existir. Son como los ladrillos de Lego de los que todas las cosas están formadas. Sin embargo, hay algo que diferencia los átomos de los bloques de Lego. Mientras que los bloques de Lego son simples, están formados por una sola pieza, los átomos son estructuras complejas formadas por diferentes piezas. Estas piezas son el protón, el neutrón y el electrón.
Los protones y los neutrones forman el núcleo de los átomos. El número de protones que tiene un átomo determina de qué elemento es. Un átomo con un solo protón es un átomo de hidrógeno, uno con dos es uno de helio y uno de tres de litio. Si eres observador, verás que hay algo que diferencia a estos tres átomos más allá de su número de protones. El primero no tiene neutrones, mientras que todos los demás sí los tienen. Es más, todos los átomos con más de un protón tienen neutrones. Aún no te diremos por qué, pero esto es importante.
Ahora, alrededor del núcleo de los átomos siempre hay una nube de electrones orbitando. Esto se debe a la fuerza electromagnética, el segundo componente de nuestro rompecabezas. La fuerza electromagnética es una fuerza que causa la atracción y la repulsión de las partículas eléctricamente cargadas. ¿Pero qué significa esto? Veamos. Algunas partículas subatómicas, como los protones y los electrones, tienen una propiedad que se llama carga. La carga puede ser de dos tipos: positiva y negativa. Los protones tienen carga positiva, mientras que los electrones tienen carga negativa. ¿Y qué hay de los neutrones? Por algo se llaman neutrones, estos no tienen carga.
Cuando dos partículas con cargas similares se acercan, estas se repelen. Por otro lado, cuando dos partículas con carga opuesta se acercan, estas se atraen. Esta es la razón por la que los electrones orbitan el núcleo de los átomos. Estos son atraídos por la carga positiva de los protones. Hasta aquí, todo parece tener lógica. Sin embargo, es posible que te hayas dado cuenta de un grave problema con la explicación. Si las cargas opuestas se repelen, ¿cómo es posible que los protones estén juntos en los átomos de helio o de litio? ¿No deberían repelerse?
Pues sí, de hecho, lo hacen. De acuerdo con Don Lincoln, físico y co-descubridor del top quark, si acercamos dos protones, estos se empujarán con una fuerza de alrededor de 20 kg, una fuerza asombrosa para partículas tan minúsculas. Entonces, ¿cómo se mantiene unido el núcleo de los átomos? La respuesta es que hay una fuerza más fuerte que el electromagnetismo. Esta fuerza es llamada la fuerza nuclear fuerte, y su nombre viene del hecho de que es más fuerte que la fuerza de repulsión del electromagnetismo. De acuerdo con Lincoln, esta fuerza es aproximadamente 100 veces más fuerte.
Pero, ¿cómo hace esta fuerza para mantener el núcleo de los átomos unidos? Para entenderlo, primero debemos hablar sobre las otras dos piezas del rompecabezas: los quarks y la carga de color. ¿Recuerdas que te dijimos que los átomos son estructuras complejas? Bueno, no solo los átomos están formados por varias partes, sino también los protones y los neutrones. Ambos forman parte de un grupo más grande de partículas subatómicas que se llaman hadrones. Los hadrones son un grupo grande de partículas cuya característica principal es estar formado por un tipo de partícula llamada quark. Estos no están formados por otras partículas, pero pueden combinarse para formar partículas más complejas como los protones, los neutrones, los caones y los piones. Los dos primeros están formados por tres quarks, mientras que estos dos por solo dos quarks.
Pero, ¿qué es lo que hace que los quarks se unan para formar otras partículas? La respuesta es la fuerza nuclear fuerte, también conocida como la fuerza de color. Así como los protones y los electrones tienen carga eléctrica, los quarks tienen un tipo de carga que los mantiene unidos. Esta carga es llamada la carga de color. Recibe este nombre porque su funcionamiento es similar al funcionamiento de los colores. Por ejemplo, si mezclas azul, rojo y verde, obtienes como resultado el blanco, en otras palabras, anulas el color. Lo mismo ocurre con la carga especial de los quarks. Si mezclas tres quarks, uno con carga roja, otro con carga azul y otro con carga verde, obtienes un hadrón con carga de color neutra, como el protón.
Ahora, los quarks además pueden tener cargas anti-rojas y anti-azules, y anti-verdes, obviamente. Si mezclas un quark azul con un anti-quark azul, terminas con un hadrón con carga neutra, como el pión. Esto es importante, ya que en la naturaleza, los hadrones como el protón, el neutrón y el pión tienen siempre carga de color neutra. Ahora, la carga de color es lo que causa que los quarks se mantengan unidos. Así como las cargas opuestas de la fuerza electromagnética se atraen, los diferentes colores de los quarks se atraen unos a otros. Un quark rojo puede atraer a uno verde o azul, un quark verde puede atraer a uno rojo o azul, y así sucesivamente.
Dentro de un hadrón, como el protón, tenemos tres quarks de colores diferentes unidos por la fuerza nuclear fuerte. Así como la fuerza magnética es transmitida por los fotones, la fuerza nuclear fuerte es transmitida por el gluon. El gluon es la partícula mediadora de la fuerza nuclear fuerte, y los quarks intercambian gluones constantemente. Este proceso causa que los quarks cambien sus colores constantemente, pero de tal forma que se mantenga la neutralidad del hadrón. Una forma alegórica de imaginarse a los gluones es como una banda elástica. Esta banda mantiene unidos a los quarks dentro del hadrón. Si estos se separan mucho, la fuerza que ejerce la interacción fuerte se incrementa, así como lo hace una banda elástica cuando es estirada. Esta es la razón por la que los quarks se mantienen unidos.
¿Y qué tiene que ver esto con el núcleo del átomo? En realidad, mucho. Los protones y neutrones en un átomo están tan cerca que los quarks de los protones se sienten atraídos por los quarks de los neutrones. Matthew O'Dowd, astrofísico y profesor ad del departamento de física y astronomía del Lehman College de la Universidad de la Ciudad de Nueva York, lo explica de la siguiente manera: "En un átomo, un quark de un protón querrá juntarse con otro quark de color diferente de un neutrón. Sin embargo, no podrán simplemente intercambiar un gluon, ¿por qué? Porque el intercambio de gluones cambia la carga de color del quark. Si un quark de un protón intercambia un gluon con otro quark de un neutrón, ambos hadrones dejan de tener una carga de color neutra, y como mencionamos, esto no puede suceder en la naturaleza."
Así, la interacción entre ambas partículas es mucho más compleja que el simple intercambio de gluones. Cuando un quark de un protón es atraído por un quark de un neutrón, la fuerza de la interacción es tal que rompe su conexión con los otros quarks del protón. Este proceso libera tanta energía que, como resultado, se crean dos nuevos quarks: uno dentro del protón y otro que viaja con el quark atraído al neutrón, formando un pión. Este pión está formado por nuestro quark original y un anti-quark, un quark con una carga de color opuesta. Así, ahora tenemos tres partículas: un protón, un pión y un neutrón con carga neutral. Los tres hadrones tienen carga neutra y no se viola ninguna ley de la naturaleza. Finalmente, el pión se une con el neutrón, y uno de los quarks se aniquila con el anti-quark del pión. Así, nos quedamos nuevamente con el protón y el neutrón originales.
Sin embargo, todo este proceso, causado por la interacción fuerte, mantiene unido a nuestro protón con el neutrón a pesar de sentir la fuerza electromagnética de los otros protones cercanos. Por esta razón, todos los átomos con más de un protón tienen neutrones. Es la interacción entre protones y neutrones lo que causa una fuerza de atracción más fuerte que la fuerza electromagnética. Así, sin la fuerza nuclear fuerte, no solo no podrían existir las partículas que componen a los átomos, sino que tampoco podrían existir elementos más allá del hidrógeno. Si bien no experimentamos las consecuencias de la interacción fuerte en nuestro día a día, sin ella no podrían existir las estrellas, los planetas y los seres vivos como nosotros.
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