La ACIISI explica en esta serie de ciencia divulgativa para verano qué son las fuerzas fundamentales y cuáles sus características.

El biólogo Santiago Campillo, colaborador de la ACIISI en materia de comunicación y ciencia divulgativa, desarrolla en este artículo que, en realidad, todo lo que nos rodea, todo lo que existe y todo lo que se podrá llegar a conocer alguna vez… incluso aquello que siempre quedará fuera de alcance, se pueden explicar con tan sólo cuatro fuerzas, denominadas fuerzas fundamentales. Bajo su dominio, el universo es.

Cuatro fuerzas y un sólo dominio

La electromagnética, la fuerte, la débil y la gravedad son los nombres de las cuatro grandes reinas existenciales. Estas cuatro fuerzas lo construyen o destruyen todo. Si hay algo, si existe, lo hace bajo su aprobación y sólo siguiendo sus directrices. Por supuesto, aunque esto suene sencillo, en realidad hace referencia a titánicos fenómenos o complejísimas relaciones. Si fuéramos capaces de comprenderlas a ellas, podríamos comprender el universo por completo. Pero ¿cómo son?

La fuerza electromagnética es la más común de ellas, una a la que nos enfrentamos cada día. Tiene un alcance infinito y es la responsable de que existan los átomos. También es la responsable, en última instancia, de que exista la materia que conocemos y que estudiamos. Esta fuerza es la que actúa sobre todo lo que tenga carga. Y podemos decir sin miedo a equivocarnos que prácticamente todo tiene carga. También es la responsable de efectos como la luz, la electricidad y casi cualquier fenómeno diario. Gracias a ella podemos ver las cosas, podemos utilizar un dispositivo, comunicarnos a distancia, mover maquinaria pesada, escuchar música a través de unos auriculares… Nada pasa en nuestro universo sin que esta interacción tenga la última palabra.

Por otro lado, si bajamos hasta lo más pequeño que existe nos toparemos con la interacción (nuclear) fuerte. Ésta actúa a niveles minúsculos, mucho más diminutos que el átomo. Los “ladrillos fundamentales” de la materia están formadas por protones, electrones y neutrones. Mientras que la fuerza electromagnética explica que la carga igual se repele, la interacción fuerte se encarga que en las partículas subatómicas (como los quarks) no se repelan a pesar de la fuerte presión electromagnética los haría salir disparados. Pero la fuerza fuerte es… eso, mucho más fuerte, así que los mantiene unidos para formar la estructura íntima de los átomos. La interacción fuerte es muy compleja y de un alcance ínfimo pero muy, muy intensa a pequeña escala. Es muy difícil de comprender y modelizar, por lo que las soluciones que la contemplan son escasas y están contempladas en lo que se conoce como “cromodinámica cuántica”.

La interacción débil explica aquello que las otras fuerzas fundamentales del universo no pueden. Se conoce así por su levísima intensidad. Pero no nos engañemos. Esta actúa a nivel del núcleo y es imprescindible para explicar fenómenos como la desintegración atómica, la radiación de los átomos y otros fenómenos similares. Debido a que actúa a nivel del núcleo, como la fuerza fuerte, se tardó una eternidad en encontrarla. Con su descubrimiento, Enrico Fermi también se atrevió a describir una nueva partícula conocida como neutrino. La carga de la fuerza débil se divide en “sabores”. Junto con las otras dos fuerzas, esta se incluye en el modelo estándar unificado, dentro de la Teoría de la Gran Unificación, uniéndolas.

Por último, nos encontramos a la gravedad. Aunque convivimos con ella en todo momento y parece la más obvia, la gravedad es, entre todas las fuerzas fundamentales del universo, la que menos comprendemos. Esta fuerza tiene un alcance infinito. Lo sienten todas las partículas con masa y es bastante débil en comparación con las otras. Pero, además, es muy compleja de estudiar a nivel cuántico, lo que impide su comprensión al nivel de las otras fuerzas. Esto provoca que no se pueda proponer una teoría cuántica de campos, por lo que no forma parte del gran modelo estándar que lo unifica todo. Mientras que las otras fuerzas pueden “cuantizarse”, es decir, buscar y describir los “cuantos”, la partícula mínima fundamental de dichas teorías, la gravedad no. Varias hipótesis modernas tratan de cuantizar esta fuerza, aunque todavía no ha sido posible demostrar su validez con experimentos específicos. Por ello no podemos hablar de carga o partículas que hagan referencia a la gravedad, como en las anteriores. Sin embargo, eso a la gravedad le da igual. Está en todas partes, modificándolo todo.

La teoría del todo

Para poder entender todo lo que nos rodea es imprescindible contar con modelos. Los modelos nos permiten trabajar con cuestiones mucho más complejas: funcionan en realidad como acercamientos teóricos a los fenómenos universales. Estos modelos están definidos por reglas y descripciones recogidas en las teorías. Así, la Teoría del Todo es un corpus teórico hipotético que trata de relacionar todos los fenómenos físicos conocidos. Aunque al principio este concepto levantaba suspicacias, con el tiempo ha ido adquiriendo mayor fuerza. La posibilidad de poder unir todo lo que sabemos sobre las cuatro fuerzas anteriores, que aparecieron con nuestro universo, nos permitiría elaborar un modelo estable de la física que conocemos. Por el momento no tenemos ninguna que complemente adecuadamente con todo lo que buscamos. Sin embargo, ya contamos con esbozos muy interesantes, tales como la Teoría M o la Teoría cuántica de bucles. Y en todas ellas, pase lo que pase, las protagonistas finales son, como no podría ser de otro modo, las cuatro grandes fuerzas fundamentales.