Las cuatro fuerzas fundamentales
Todos los fenómenos del universo — desde las manzanas que caen hasta las estrellas que explotan — surgen de cuatro interacciones fundamentales. Cada una tiene su propia partícula portadora, su propio alcance y su propia intensidad.
Gravedad
La fuerza más débil, pero la más universal. Actúa sobre todo lo que posee energía, a cualquier distancia — y es, sin embargo, la única fuerza para la que no tenemos una teoría cuántica.
La gravedad es la única de las cuatro fuerzas que se percibe directamente en la vida cotidiana — porque es siempre atractiva y se acumula a lo largo de distancias cósmicas. El electromagnetismo tendría un alcance igual de grande, pero las cargas positivas y negativas se compensan en la materia.
En el marco del modelo estándar, la gravedad no puede cuantizarse. Un gravitón de spin 2 sería el portador adecuado, pero las teorías cuánticas de campos resultantes no son renormalizables — divergen a energías altas. El gravitón sigue siendo hipotético; el límite superior de su masa proviene de las mediciones de ondas gravitacionales de LIGO.
Por ello los físicos buscan una teoría de la gravedad cuántica — la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles son los candidatos más conocidos, ambos sin confirmación experimental.
Electromagnetismo
Luz, química, electrónica — todo es electromagnético. El intercambio de fotones sin masa actúa a distancias infinitas y es responsable de casi todos los fenómenos que vemos y tocamos en la vida cotidiana.
El electromagnetismo se describe mediante la electrodinámica cuántica (QED) — la teoría más precisamente comprobada de la física. El momento magnético del electrón coincide con la predicción hasta doce decimales.
La partícula portadora, el fotón, no tiene masa y se mueve a la velocidad de la luz. Dos cargas del mismo signo se repelen, dos de signo contrario se atraen — a diferencia de la gravedad, el electromagnetismo puede ser atractivo y repulsivo, por lo que en la materia se compensa casi siempre a nivel macroscópico.
La constante de estructura fina α ≈ 1/137 (adimensional) indica la intensidad del acoplamiento. Su valor es uno de los grandes enigmas abiertos de la física — nadie sabe por qué tiene exactamente ese valor.
Fuerza fuerte
La fuerza más intensa del universo mantiene a los quarks atrapados dentro de protones y neutrones — y a los protones unidos en el núcleo atómico. Funciona según un principio completamente distinto al de las demás fuerzas: el confinamiento de quarks.
Los quarks portan una carga de color (rojo, verde, azul — puramente simbólico). Los ocho gluones transmiten la fuerza fuerte entre ellos. Lo decisivo: los propios gluones portan carga de color y por tanto interactúan entre sí — a diferencia de los fotones, que no portan carga eléctrica.
Esto conduce al confinamiento: cuanto más se separan dos quarks, más intensa se vuelve la fuerza — como una banda elástica. Con suficiente energía la banda se rompe, pero en lugar de quarks libres surgen de inmediato nuevos pares quark-antiquark. Los quarks libres no existen en la naturaleza.
A distancias muy cortas (energías muy altas), en cambio, los quarks se vuelven casi libres — la libertad asintótica, por la cual Gross, Politzer y Wilczek recibieron el Premio Nobel en 2004.
Fuerza débil
La fuerza débil es responsable de la desintegración beta radiactiva y es la única fuerza capaz de cambiar el sabor (flavour) de las partículas — y que viola la paridad. Sin ella, el Sol no brillaría.
Las partículas portadoras W± y Z⁰ son extremadamente masivas, con más de 80 GeV/c² — de ahí su alcance diminuto (según Heisenberg). Esta masa surge por el mecanismo de Higgs: el bosón W se acopla al campo de Higgs y así adquiere su inercia.
Algo único: el bosón W puede cambiar el sabor de las partículas. En la desintegración beta menos, un quark down se transforma en un quark up: d → u + W⁻. El W⁻ se desintegra después en un electrón y un antineutrino. Así, en el interior del Sol el hidrógeno se fusiona en helio.
La fuerza débil viola la paridad (simetría izquierda-derecha) al máximo — se acopla exclusivamente a fermiones zurdos. Este fue uno de los descubrimientos más sorprendentes de la física de partículas (experimento de Wu, 1956).