jueves, 25 de junio de 2020

¿Hay una quinta fuerza de la Naturaleza?


El modelo estándar de física de partículas reconoce cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza (su nombre correcto es interacciones):
  • Gravitación: Para Newton, era la fuerza que atrae a distancia dos masas cualesquiera. Para Einstein, de acuerdo con la Relatividad General, es la curvatura del espacio como consecuencia de la presencia de una masa, lo cual afecta al movimiento de otras masas próximas. Esta fuerza, que siempre es atractiva, tiene un alcance infinito, aunque su efecto desciende en razón inversa del cuadrado de la distancia, y es la más débil de las cuatro, pero domina a distancias cósmicas y planetarias, así como en la superficie de la Tierra.
  • Interacción electromagnética: Afecta a los cuerpos y partículas que tienen carga eléctrica, como los protones y electrones, pero no a los que no la tienen, como neutrones y neutrinos. Esta fuerza, que puede ser atractiva (entre partículas y cuerpos con cargas de distinto signo) o repulsiva (entre cuerpos con cargas del mismo signo), tiene un alcance infinito, aunque su efecto desciende en razón inversa del cuadrado de la distancia, y es 7×1035 veces más intensa que la gravedad, pero su efecto es despreciable a distancias cósmicas y planetarias, así como en la superficie de la Tierra, donde casi todos los cuerpos carecen de carga eléctrica.
  • Interacción débil: Llamada también interacción o fuerza nuclear débil, afecta a todas las partículas que se llaman leptones (como electrones y neutrinos) y hadrones (como protones, neutrones y mesones). No son afectados los bosones gauge, que sirven de intermediarios en las interacciones fundamentales. La interacción débil es 1025 veces más intensa que la gravedad, pero su alcance es muy pequeño, menos que un attómetro (10-18 metros), por lo que sólo afecta a las partículas elementales y no se puede detectar en los cuerpos macroscópicos.
  • Interacción fuerte: Llamada también interacción o fuerza nuclear fuerte, afecta a los hadrones, pero no a los leptones ni a los bosones gauge. Es la más intensa de todas (de ahí su nombre), pues es 1038 veces más fuerte que la gravedad. Su alcance también es muy pequeño (un femtómetro, 10-15 metros), aunque es 1000 veces mayor que el de la interacción débil. Esta fuerza es responsable de la estabilidad de los núcleos atómicos, pues permite que los protones, que al tener la misma carga se repelerían si sólo estuviesen sujetos a la interacción electromagnética, puedan coexistir dentro del núcleo, pues para ellos esta fuerza, mucho más intensa a esa distancia, es atractiva.
Túnel del LHC del CERN
La posible existencia de una quinta fuerza fundamental, que quedaría fuera del modelo estándar de física de partículas y permitiría ampliarlo, es una idea que viene de lejos. Primero se habló de una gravitación repulsiva. En un artículo publicado en Science News en 1987, se mencionaba el descubrimiento, un año antes, de algunas anomalías de la gravedad en minas y pozos profundos de Australia y Michigan, que llevó a algunos físicos a proponer la existencia de una fuerza repulsiva que actuaría a distancias entre 10 y 1000 metros y que sería unas 50 o 100 veces menos intensa que la gravedad ordinaria. A eso se añadió, ese mismo año, la propuesta de una sexta fuerza fundamental, esta vez atractiva, que se sumaría a la gravedad. Algunos físicos se pusieron muy contentos, pues una de las propuestas de Grandes Teorías Unificadas que se hacían durante los años 80 predecían la existencia de dos fuerzas más, una atractiva y otra repulsiva. Sin embargo, nuevas interpretaciones de los experimentos que daban resultados anómalos llevaron a la conclusión de que dichos resultados podían explicarse sin recurrir a fuerzas nuevas, por la simple presencia de rocas y otras formaciones geológicas en los lugares donde se habían descubierto las anomalías. Dos años más tarde, en 1990, la evidencia proporcionada por nuevos experimentos hizo que la idea de la existencia de nuevas fuerzas fundamentales fuese abandonada por el momento.
La quinta fuerza volvió a aparecer en el año 2000 como resultado de experimentos realizados con aceleradores de partículas, que sugerían la existencia de un nuevo bosón gauge, al que se dio el nombre provisional de Z’, porque estaría relacionado con el bosón Z de la interacción débil. Se pensó en un principio que este supuesto descubrimiento podría prestar confirmación a la teoría de cuerdas. Al cabo de un año, en 2001, otro experimento con neutrinos dio también un resultado anómalo que se atribuyó a la posible existencia de la evasiva quinta fuerza. En ninguno de estos dos casos se confirmaron los resultados de los experimentos, por lo que no se volvió a hablar del asunto.
Hasta 2015, cuando Attila Krasznahorkay y su equipo del Instituto de Investigaciones Nucleares de Hungría bombardeó litio con protones y descubrió una anomalía en las trayectorias de las partículas producidas por la desintegración de los átomos de berilio resultantes. Propusieron que las anomalías podían deberse a la aparición de una partícula desconocida. Posteriormente hallaron una anomalía parecida en la desintegración del helio. Un equipo de la Universidad de California propone que estas anomalías podrían deberse a un bosón gauge nuevo, que serviría de intermediario para una quinta fuerza fundamental desconocida. De momento, todo esto ha servido para proponer que se realicen nuevos experimentos. Ya veremos qué sale de ellos.
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Manuel Alfonseca

11 comentarios:

  1. Interesante como siempre.

    Cuando se compara la intensidad de las distintas fuerzas, supongo que se refiere a la intensidad sobre una partícula que es capaz de experimentar todas ellas, como por ejemplo un protón (¿hay alguna otra?). Así, la repulsión electromagnética entre dos protones es 10^35 veces superior a su atracción gravitatoria (es lo que estoy suponiendo). En cambio, el mismo caso para un electrón, que tiene una masa casi 2000 veces menor (tres órdenes de magnitud), el factor no sería 10^35, sino del orden de 10^41 (menor en seis órdenes de magnitud, porque multiplicamos dos veces la masa/carga de las partículas). No veo otra forma de comparar de modo absoluto la intensidad relativa de las fuerzas, pero si estoy equivocado ruego aclaración.

    En cuanto a las fuerzas nucleares fuerte y débil, ¿dependen también inversamente de la distancia, pero en una potencia mayor que la gravitatoria y la electromagnética? Esto explicaría su corto alcance efectivo, aunque matemáticamente el alcance sea infinito. También estaría bien aclarar este punto.

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    1. En efecto, la comparación entre las interacciones gravitatoria y electromagnética se hace comparando las fuerzas con que dos protones se atraen o repelen, cualquiera que sea la distancia a la que se encuentren, puesto que ambas interacciones dependen del cuadrado de la distancia. Dado que la gravedad depnede de la masa, si lo que comparamos son electrones en vez de protones, el resultado sería distinto, como dices bien.

      En cuanto a las fuerzas fuerte y débil, su alcance es pequeñísimo, y dentro de su alcance varía de forma rara con la distancia: la fuerte, por ejemplo, crece con la distancia como una cinta elástica que se alarga, y después se anula al llegar la distancia a unos 10^-15 metros y permanece nula hasta el infinito.

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  2. Gracias por el artículo. Muy interesante cómo funcionan las cuatro fuerzas fundamentales o interacciones. A seguir leyendo artículos antiguos del blog para ponerme al día. Sigue publicando, por favor.

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  3. Yo me uno a Ramón en esto. Interesante creo que aún nos queda mucho que comprender de nuestro propio planeta. Estoy cada vez más fascinado por Hungría. Así que me ha interesado mucho la investigación de la que has hablado allí arriba.

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  4. Don Manuel: En relación con la existencia de las partículas virtuales, se observa que en virtud del principio de no contradicción, sí hay algo que determina a ese ente a existir en vez de no existir, que es su misma existencia, por la cual no puede, a la vez que existe, no existir.

    Y se llega así a una contradicción a partir de la hipótesis mencionada: hay algo que determina a ese ente a existir en vez de no existir, y no lo hay.

    Por tanto, se declara falsa esa suposición: no hay un ente que no tenga razón suficiente de su existencia

    De otro modo: Una vez que se ha concluido, en virtud de la definición de "razón suficiente" y el supuesto de partida, que nada determina al ente en cuestión a existir en vez de no existir, se concluye que puede existir y no existir a la vez.

    Porque si el ente no pudiese existir y no existir a la vez, sería porque su existencia haría imposible, al mismo tiempo, su no existencia, y entonces, determinaría a ese ente a existir en vez de no existir.

    Pero poder existir y no existir a la vez es contradictorio.

    De ahí se concluye lo mismo: la hipótesis de partida, que hay un ente que no tiene razón suficiente de su existencia, es falsa.

    Por tanto, todo ente existente tiene razón suficiente de su existencia, y en general, todo tiene razón suficiente, porque cualquier perfección que tenga un ente es una perfección. Consecuentemente puede concluirse que no existen partículas virtuales, ya que de la nada nada puede proceder.

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    1. Aunque la filosofía clásica puede chocar a veces con la lógica de la mecánica cuántica, en este caso de las partículas virutales no hay contradicción, porque se parte de que el vacío contiene algo de energía (no mucho, pero sí algo) y que si DeltaE.DeltaT>h/4Pi ahí hay bastante energía para que un par de patículas virtuales con energía DeltaE existan durante un tiempo menor que DeltaT.

      Dado que materia y energía son intercambiables, no hay contradicción, porque la misma cantidad de energía existe antes y después, primero en forma de energía del vacío, después en forma de partículas virtuales de "materia", finalmente otra vez en forma de energía del vacío. O sea, no se crea nada ni se destruye nada, simplemente cambia.

      No confunda la nada con el vacío. El vacío no es la nada, pues tiene espacio, tiempo, energía y existencia.

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  5. Siendo así don Manuel, no se entiende por qué los físicos dicen que las partículas virtuales (si existen) podrían contradecir el principio de conservación de la energía. ¿Por qué razón puede suceder eso?

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    1. La transgresión del principio de la conservación de la energía es sólo aparente, si se interpreta que el vacío contiene energía, que es la interpretación usual. Para más información, aquí hay un artículo de este blog sobre Partículas virtuales.

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  6. Don Manuel: Ud. escribió hace algún tiempo que existe fuerte evidencia de que el universo es abierto. Siendo así la ciencia habría probado la existencia de Dios. ¿Podría ahondar más sobre el asunto?

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    1. Actualmente la mayor parte de los cosmólogos piensan que el universo puede ser crítico, o sea, marginalmente abierto. Pero eso no tiene nada que ver con la existencia de Dios, que no puede demostrarse a través de la ciencia. La existencia de Dios es compatible con que el universo sea abierto, cerrado, uno o muchos (multiverso). Vea este artículo de este blog: El multiverso teológico.

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  7. Gracias D. Manuel una vez mas. En estga entgrevista al director de cine Zanussi dice:

    …Quiero llamar la atención sobre una cuestión que me interesa profundamente, y es el cambio de la física moderna. La nueva física propone una visión de la realidad contraria a la de la física clásica, en la que todo era claro, definitivo, todos los procesos tenían una cierta inevitabilidad. El mecanismo del mundo funcionaba de forma determinista. Hoy todo eso forma parte del pasado. La física moderna habla en cambio de las posibilidades nuevas, de una realidad distinta de la que percibimos por los sentidos, nos hace caer en la cuenta de que nuestra percepción del tiempo no es objetiva, sino limitada a nuestra condición de hombres. Es fascinante. Es el tiempo de la probabilidad, de la indeterminación. En la probabilidad hay espacio para el Misterio, para Dios. Algo que no se daba en el periodo anterior.... La opinión pública vive aún en el siglo XIX. Instalada en las falsas certezas que tienen horror al Misterio, a lo desconocido. Un siglo de gran soberbia, el tiempo de la razón. Yo tengo un gran respeto a la razón, pero entendida como aquello que abarca otras medidas de conocimiento...

    No puedo menos que relacionar este articulo con esta entrevista. La indeterminación y la cosmovisión actual de la vida, del cosmos, de la creación, del Creador...

    Necesitamos conocer y conocer y en este camino estar abiertos a la incertidumbre y a lo desconocido, al Misterio y a la Trascendencia.

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