En física, las interacciones fundamentales , también conocidas como fuerzas fundamentales , son interacciones entre partículas elementales que no parecen ser reducibles a interacciones más básicas. Estas interacciones gobiernan cómo interactúan las partículas y también los objetos macroscópicos y cómo se descomponen ciertas partículas. En general, se pueden clasificar en una de las cuatro fuerzas fundamentales :
Interacción fuerte – Fuerza fuerte
La interacción fuerte o fuerza fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales e implica el intercambio de los bosones medidores de vectores conocidos como gluones . En general, la interacción fuerte es una interacción muy complicada, porque varía significativamente con la distancia. La fuerza nuclear fuerte mantiene unida la mayor parte de la materia ordinaria porque confina los quarks en partículas de hadron como el protón y el neutrón . Además, la fuerza fuerte es la fuerza que puede mantener un núcleo unido contra las enormes fuerzas de repulsión ( fuerza electromagnética) de los protones es realmente fuerte. Desde este punto de vista, tenemos que distinguir entre:
- Fuerza fuerte fundamental. La fuerza fuerte fundamental, o la fuerza fuerte, es una fuerza de rango muy corto (menos de aproximadamente 0.8 fm, el radio de un nucleón), que actúa directamente entre quarks . Esta fuerza mantiene unidos a los quarks para formar protones, neutrones y otras partículas de hadrones. La fuerte interacción está mediada por el intercambio de partículas sin masa llamadas gluones que actúan entre quarks, antiquarks y otros gluones.
- Fuerza residual fuerte. La fuerza fuerte residual, también conocida como la fuerza nuclear , es una fuerza de muy corto alcance (aproximadamente 1 a 3 fm), que actúa para mantener a los neutrones y protones juntos en los núcleos. En los núcleos, esta fuerza actúa contra la enorme fuerza electromagnética repulsiva de los protones. El término residual está asociado con el hecho, es el residuo de la interacción fundamental fuerte entre los quarks que forman los protones y los neutrones. La fuerza fuerte residual actúa indirectamente a través de los mesones virtuales π y ρ , que transmiten la fuerza entre los nucleones que mantienen unido el núcleo.
Interacción débil – Fuerza débil
La interacción débil o fuerza débil es una de las cuatro fuerzas fundamentales e implica el intercambio de los bosones de vector intermedio, el W y el Z. Dado que estos bosones son muy masivos (del orden de 80 GeV, el principio de incertidumbre dicta un rango de aproximadamente 10-18 metros, que es menor que el diámetro de un protón. Como resultado, la interacción débil se produce solo a distancias subatómicas muy pequeñas.
La interacción débil responsable de algunos fenómenos nucleares, como la desintegración beta , que se puede entender en términos de la fuerza débil que opera en los quarks dentro del neutrón . Uno de los dos quarks abajo se transforma en un quark arriba por la emisión de un W – Higgs (se lleva una carga negativa). El W – Higgs luego se desintegra en un partícula beta y un antineutrino . Este proceso es equivalente al proceso, en el que un neutrino interactúa con un neutrón.
Interacción electromagnética – Fuerza electromagnética
La fuerza electromagnética es la fuerza responsable de todos los procesos electromagnéticos. Actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Es una fuerza de rango infinito, mucho más fuerte que la fuerza gravitacional , obedece la ley del cuadrado inverso, pero ni la electricidad ni el magnetismo se suman en la forma en que lo hace la fuerza gravitacional. Como hay cargas positivas y negativas (polos), estas cargas tienden a cancelarse entre sí. El electromagnetismo incluye la fuerza electrostática que actúa entre las partículas cargadas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas eléctricas y magnéticas que actúan entre las partículas cargadas que se mueven entre sí.
El fotón , el cuanto de radiación electromagnética , es una partícula elemental, que es el portador de la fuerza de la fuerza electromagnética. Los fotones son bosones medidores que no tienen carga eléctrica ni masa en reposo y una unidad de giro. Común a todos los fotones es la velocidad de la luz , la constante universal de la física. En el espacio vacío, el fotón se mueve a c ( la velocidad de la luz – 299 792 458 metros por segundo ).
Las fuerzas entre partículas estáticamente cargadas eléctricamente se rigen por la ley de Coulomb . La Ley de Coulomb se puede usar para calcular la fuerza entre partículas cargadas (por ejemplo, dos protones). La fuerza electrostática es directamente proporcional a las cargas eléctricas de las dos partículas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las partículas. La Ley de Coulomb se establece como la siguiente ecuación.
Tanto la ley de Coulomb como la fuerza magnética se resumen en la ley de fuerza de Lorentz. Fundamentalmente, las fuerzas magnéticas y eléctricas son manifestaciones de una fuerza de intercambio que implica el intercambio de fotones.
La fuerza electromagnética juega un papel importante en la determinación de las propiedades internas de la mayoría de los objetos encontrados en la vida diaria. Las propiedades químicas de los átomos y las moléculas están determinadas por el número de protones, de hecho, por el número y la disposición de los electrones .
Interacción Gravitacional – Fuerza Gravitacional
La gravedad fue la primera fuerza que se investigó científicamente. La fuerza gravitacional fue descrita sistemáticamente por Isaac Newton en el siglo XVII. Newton declaró que la fuerza gravitacional actúa entre todos los objetos que tienen masa (incluidos los objetos que van desde átomos y fotones, hasta planetas y estrellas) y es directamente proporcional a las masas de los cuerpos e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos. Como la energía y la masa son equivalentes , todas las formas de energía (incluida la luz) causan gravitación y están bajo su influencia. El rango de esta fuerza es ∞ y es más débil que las otras fuerzas. Esta relación se muestra en la ecuación a continuación.
La ecuación ilustra que cuanto mayor es la masa de los objetos o menor es la distancia entre los objetos, mayor es la fuerza gravitacional . Entonces, aunque las masas de nucleones son muy pequeñas, el hecho de que la distancia entre nucleones sea extremadamente corta puede hacer que la fuerza gravitacional sea significativa. La fuerza gravitacional entre dos protones que están separados por una distancia de 10-20 metros es de aproximadamente 10-24 newtons. La gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales de la física, aproximadamente 10 38 veces más débil que la fuerza fuerte. Por otro lado, la gravedad es aditiva.. Cada partícula de materia que colocas en un bulto contribuye a la gravedad general general del bulto. Como también es una fuerza de rango muy largo, es una fuerza dominante a escala macroscópica, y es la causa de la formación, forma y trayectoria (órbita) de los cuerpos astronómicos.
Cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza
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