Construir el mundo. Enrique Gracián
Con esto queda justificado el término «fuerza electromagnética» que se le da a una de las cuatro fuerzas fundamentales.
En el momento actual de nuestra historia, como civilización tecnológica que somos, la dependencia de las fuerzas electromagnéticas (gracias a las que fabricamos electricidad) es absolutamente crítica. Si nos «desenchufaran», el sistema colapsaría en veinticuatro horas, que es más o menos el tiempo que tardaríamos en volver a situarnos en la Edad Media.
Las cuatro fuerzas fundamentales comparten una característica común: todas ellas actúan a distancia, lo que les imprime un cierto toque mágico. La física cuántica da una explicación sobre esta misteriosa manera de actuar, pero es una explicación excesivamente compleja para incluirla en este texto. Voy a poner de todas maneras un símil, algo impreciso pero intuitivo, de cuál es el requerimiento básico de una acción a distancia.
Supongamos que tenemos en el suelo una caja con una argolla y que la queremos subir hasta una cierta altura. Para ello atamos una cuerda en la argolla y tiramos hacia arriba. Lo que estamos haciendo es transmitir una fuerza a la caja por medio de la cuerda.
Para resolver el misterio que rodea a las fuerzas que actúan a distancia debemos encontrar algo que transmita la fuerza, es decir, algo que cumpla la función de la cuerda del ejemplo anterior.
Las cuatro fuerzas fundamentales tienen (o deberían tener) algún tipo de elemento que sea capaz de transmitir la fuerza. Y así es. Las fuerzas se transmiten gracias a unas partículas subatómicas que hacen las veces de cuerda. Por ejemplo, en el caso de la fuerza nuclear fuerte este agente es una partícula llamada gluon, que fue la que, en su momento (de manera simbólica), utilizamos para unir los cuarks.
En el caso de la fuerza débil hay dos partículas portadoras que reciben el nombre de bosón W y bosón Z. Y para la fuerza electromagnética contamos con los fotones. Todas estas partículas elementales están agrupadas en una familia que recibe el nombre de «bosones». No sé si recuerdas que cuando estuvimos en la tienda para comprar partículas elementales fuimos precisamente a la sección de bosones para comprar los gluones (lo de los nombres de las partículas elementales es un mareo).
¿Y qué pasa con la fuerza gravitatoria? Pues que todavía no se ha encontrado su correspondiente partícula portadora, aunque ya se le ha puesto nombre antes de nacer: gravitón2.
Desde hace bastante tiempo se está llevando a cabo un esfuerzo denodado por unificar las cuatro fuerzas fundamentales. Se trata obviamente de un proyecto científico, pero que no deja de tener un cierto sesgo metafísico; encontrar una única fuerza de la naturaleza responsable de todo: «La Fuerza».
1 En física se mencionan otras fuerzas, como la de rozamiento o la hidrostática, pero todas derivan, de alguna manera, de las cuatro fuerzas fundamentales.
2 Hay una partícula más que en los últimos años ha alcanzado una cierta popularidad en los medios de comunicación que es el llamado bosón de Higgs, responsable directo de que las partículas posean una determinada masa.
FOTONES
Es difícil, fuera de los ambientes especializados, oír hablar a la gente de «muones», «leptones» o «piones». Son palabras raras. No sucede lo mismo con los electrones y los fotones. Del conjunto de todas las partículas subatómicas son las que gozan de mayor popularidad.
Fotón proviene del griego phôs, que significa luz. De ahí que palabras como, fotografía, fotofobia o fotosíntesis estén relacionadas con fenómenos luminosos. Pero esta es una parte muy pequeña de los fenómenos físicos a los que están asociados los fotones.
El fotón es una partícula subatómica que no tiene masa, ni tampoco carga eléctrica, y que viaja a través del vacío a la velocidad de la luz. Hay muchas fuentes naturales de fotones; el Sol es una de ellas. Para los seres vivos la más importante.
Nosotros también podemos fabricar fotones. Lo hacemos, por ejemplo, cada vez que encendemos una luz, cocinamos en el horno de microondas, utilizamos un mando a distancia o hablamos por el móvil. De hecho, vivimos inmersos en un mar de fotones.
Los fotones tienen energía, una energía que está directamente relacionada con su frecuencia.
¿Frecuencia?
Sí, frecuencia o longitud de onda, que viene a ser lo mismo. Sospecho que no sabes nada de movimientos ondulatorios.
Muy poca cosa.
Te voy a hacer un cursillo rápido.
¿Es necesario?
Sí. Piensa que el sistema de comunicación que utilizamos los seres humanos es casi al cien por cien audiovisual y que tanto la luz como el sonido se propagan por medio de ondas1.
1 Otras especies, como las hormigas, que son prácticamente ciegas y sordas, utilizan sistemas basados en procesos puramente químicos.
ONDAS
Estás frente a un estanque en el que has colocado una hilera de corchos con una banderita encima de cada uno de ellos, como si fueran boyas de señalización. Si dejas caer una piedra en el agua verás que se forma un movimiento ondulatorio. Aparecen una serie de círculos que tienen su origen en el punto donde has dejado caer la piedra y que se van expandiendo a lo largo de todo el estanque. Si lo observas desde arriba podrás ver el movimiento de las ondas. Y si te pones a mirar al nivel del agua verás cómo las banderitas suben y bajan periódicamente. Las banderitas no se mueven horizontalmente, sino que lo hacen verticalmente en torno a su posición de equilibrio. Es importante recalcar que los corchos no navegan por el agua, se limitan a subir y bajar. Podemos interpretar este tipo de movimiento como el tráfico de una información que le dice a cada corcho en qué momento tiene que oscilar arriba y abajo. Es lo mismo que sucede en un estadio de fútbol cuando se hace la ola: esperas a que te llegue el turno, y cuando ves a tu vecino que se levanta, entonces tú también te levantas y alzas los brazos. Esa es la información que estabas esperando que te llegara. Visto desde el otro lado del estadio es como una onda que recorre todas las gradas de los espectadores, como la onda del estanque. Los espectadores no se desplazan siguiendo la dirección de la onda, se limitan a hacer un movimiento, sin abandonar el lugar en el que se encuentran.
Una onda se puede representar gráficamente así:
La distancia que hay entre los puntos más altos (o entre cualesquiera que estén en el mismo estado de vibración) es lo que se llama la longitud de onda (λ). En el caso del estanque, si calculas el número de veces que un corcho sube y baja por unidad de tiempo tendrás lo que se llama la frecuencia. Está claro que la longitud de onda y la frecuencia son uno inverso del otro, cuanto mayor sea la longitud de onda menor es la frecuencia y viceversa.
Si en el lago dejamos caer una piedra más grande, las banderitas subirán más alto. Dicho en otros términos, la onda tendrá una mayor amplitud.
El concepto de amplitud está relacionado con el de intensidad de la onda. Si se trata, por ejemplo, de una onda sonora, una mayor amplitud se traduce en que oímos el sonido más fuerte, mientras que la frecuencia está relacionada con el tono: cuanto más alta es la frecuencia, más agudo es el sonido1.
Y aquí termina el cursillo acelerado de movimientos ondulatorios.
Volviendo al tema de las fuerzas: las partículas portadoras de la fuerza electromagnética son los fotones. Como partículas que son poseen una cierta energía y, por supuesto,