Las cuatro fuerzas fundamentales

Lo que quiero hacer en este video es dar una  descripción muy general acerca de las cuatro   fuerzas fundamentales del universo. Y voy a  comenzar con la gravedad. Quizá les sorprenda   saber que la gravedad es en realidad la más débil  de las cuatro fuerzas fundamentales. Esto puede   sorprendernos porque sabemos que la gravedad es  lo que nos mantiene en este planeta y evita que   salgamos flotando fuera de él, es lo que mantiene  a la Luna en órbita alrededor de la Tierra,   a la Tierra en órbita alrededor del Sol y  al Sol en órbita alrededor del centro de la   Vía Láctea. Así que resulta sorprendente que la  gravedad sea la más débil de las cuatro fuerzas,   pero tiene sentido cuando analizamos sus  efectos a escala humana o a escala molecular,   e incluso a escala atómica. A escala humana,  el monitor de tu computadora y tú tienen algún   tipo de atracción gravitacional, pero no lo  notas; también hay atracción gravitacional   entre tu celular y tu billetera, pero no ves  que se atraigan entre sí, de la misma forma   que verías dos imanes que se atraen o se repelen  entre sí. Si analizamos esto a una escala menor,   verás que esta fuerza es menos notable, no  se menciona la gravedad en la Química, aunque   realmente la gravedad está ahí, pero a esa escala  las otras fuerzas realmente comienzan a dominar,   así que la gravedad es la fuerza más débil. Si  avanzamos un poco más, veremos una de las fuerzas   que es más difícil de visualizar, o al menos es la  fuerza menos intuitiva para mí. Ésta se llama la   fuerza débil o también llamada la fuerza nuclear  débil. Ésta es responsable de la desintegración   radiactiva, específicamente del decaimiento  o emisión beta positiva y beta negativa. Y,   para darte un ejemplo de fuerza nuclear  débil, imagina que tenemos algo de cesio 137,   137 significa que tiene 137 nucleones: un nucleón  es un protón o un neutrón; si sumas los protones y   los neutrones de cesio obtienes 137, y el cesio  porque tiene exactamente 55 protones. Ahora, la   fuerza nuclear débil es la responsable de que uno  de los neutrones, esencialmente uno de sus quarks,   cambie y se convierta en un protón. Y no voy a  entrar en detalles sobre qué es un quark y todo   eso, pues las matemáticas se vuelven bastante  complicadas, pero sólo quiero darles un ejemplo   de lo que hace la fuerza nuclear débil. Así que si  uno de estos neutrones se convierte en un protón,   entonces tendremos un protón adicional, pero vamos  a tener la misma cantidad de nucleones, en lugar   de un neutrón adicional aquí ahora tiene un protón  adicional aquí, por lo que ahora tenemos un átomo   diferente, ahora es bario, y al cambiar emitirá un  electrón y un neutrino antielectrón. Nuevamente no   entraré en detalles sobre lo que es un neutrino  antielectrón, son partículas fundamentales,   pero a esto se refiere a la fuerza nuclear  débil. No es algo que sea obvio para nosotros,   no es el tipo de cosas tradicionales que  se acercan o se alejan unas de otras como   las que asociamos con las otras fuerzas. Y sólo  para dar una idea de cuán débil es la gravedad,   incluso en relación con la fuerza nuclear débil,  la fuerza nuclear débil es de 10²⁵ veces la fuerza   de gravedad. Y podríamos decir "Si esto es tan  fuerte, ¿cómo es que esto no opera en los planetas   o en nosotros o en relación con la Tierra?,  ¿por qué esto no se aplica a las distancias   intergalácticas como lo hace la gravedad? Y la  razón es que la fuerza nuclear débil solamente   ocurre en distancias muy, muy pequeñas, por lo  que puede ser mucho más fuerte que la gravedad,   pero sólo a escala subatómica. Si vemos distancias  un poco más grandes, esta desaparece como una   fuerza real o interacción real. Con la siguiente  fuerza en la jerarquía estamos más familiarizados,   es la que está presente en la mayor  parte de la Química con la que tratamos,   es el electromagnetismo que manejamos y ésta es la  fuerza electromagnética, fuerza electromagnética.   Y para que te des una idea de su magnitud es 10³⁶  veces la fuerza de gravedad. Digamos que pone a   la fuerza débil en su lugar, es 10¹² veces más  fuerte que la fuerza débil. Estamos tratando aquí   con números enormes, ya sea con relación a esto  o incluso con relación a la gravedad. Y entonces   podrías pensar que si la fuerza electromagnética  es increíblemente fuerte, ¿por qué no ejerce   en este tipo de escalas macro como la gravedad?  Déjame escribirlo aquí: escalas macro. ¿Por qué   no se aplica a las escalas macro? Y no hay algo  que impida a la fuerza electromagnética tener   efecto a grandes distancias, pero la realidad es  que las concentraciones de cargas de Coulomb o de   magnetismo no son tan grandes como las de la masa.  La masa está en una concentración gigantesca,   por lo que la gravedad puede operar en distancias  enormes, aún cuando es muchísimo más débil que la   fuerza electromagnética. Lo que pasa con la fuerza  electromagnética es que, debido a que atrae y   repele a la vez, tiende a equilibrarse sola, por  lo que no existen estas concentraciones de cargas   enormes. Otra cosa que quizá te estés preguntando  es ¿por qué se llama fuerza electromagnética? En   nuestra vida cotidiana existen cosas como la  fuerza de Coulomb o la fuerza electrostática,   con las que estamos familiarizados, las cargas  similares se repelen; lo mismo ocurriría si   ambas fueran negativas y las cargas diferentes se  atraen entre sí. Lo hemos visto varias veces, es   la fuerza de Coulomb o la fuerza electrostática,  y luego tenemos la otra parte de la palabra,   lo magnético. Y si has jugado con los imanes  en tu refrigerador, te has dado cuenta de que   si tratas de juntar el mismo lado de dos imanes  se van a repeler entre sí y si tratas de juntar   los lados opuestos se van a atraer entre sí.  Entonces, ¿por qué las tratamos como una sola   fuerza? Pues es una sola fuerza porque aunque,  de nuevo no entraré en detalles, es una fuerza   porque resulta que la fuerza de Coulomb, la fuerza  electrostática y la fuerza magnética son lo mismo,   pero vistos en marcos de referencia diferentes. No  entraré en muchos detalles, pero ten en mente que   están conectados. En otro video profundizaré más  en la intuición de cómo es que están conectados.   Es más evidente cuando las cargas se mueven  en marcos relativistas, no entraré en detalle,   pero recuerda que son la misma fuerza pero vista  desde diferentes marcos de referencia. Ahora, la   fuerza más fuerte es la que tiene el mejor nombre  y esa es la interacción nuclear fuerte; y aunque   quizá aún no hayas visto esto en las clases de  Química, de hecho se aplica mucho en Química desde   el principio, porque cuando aprendes sobre los  átomos. Permíteme dibujar un átomo de helio. Un   átomo de helio tiene 2 protones en su núcleo y 2  neutrones, y también tiene 2 electrones alrededor.   Y una pregunta que quizás se te haya ocurrido  al ver por primera vez este modelo atómico es,   "Bueno, puedo ver que los electrones son atraídos  por el núcleo pues tienen una carga de Coulomb   negativa y el núcleo tiene una carga de Coulomb  positiva neta". Pero lo que no es tan obvio y   que a veces no se explica en la clase de Química  es que estas dos cargas positivas están una al   lado de la otra: si la fuerza electromagnética  fuera la única fuerza en juego, si la fuerza   de Coulomb fuera lo único que sucediera, esos  protones simplemente se alejarían uno de otro,   se repelerían. Entonces, la única razón por  la que pueden mantenerse juntos es porque   existe una fuerza aún más fuerte que la fuerza  electromagnética y que opera a estas distancias   muy, muy, muy pequeñas. Así que si dos de estos  protones se acercan lo suficiente, entonces la   interacción nuclear fuerte entra en juego, la  interacción nuclear fuerte sólo se aplica a   distancias muy, muy, muy pequeñas, subatómicas o  incluso subnucleares, es la interacción nuclear   fuerte lo que realmente mantiene juntas estas  cargas. Y una vez más, sólo para que puedas   compararla con la fuerza de gravedad, la fuerza  fuerte, interacción nuclear fuerte, es 10³⁸ veces   la fuerza de gravedad, o aproximadamente 100 veces  más fuerte que la fuerza electromagnética. Así   que de nuevo, la razón por la que no percibes la  interacción nuclear fuerte, que es la más fuerte   de todas las fuerzas o la fuerza nuclear débil  en escalas enormes, es que su fuerza se extingue   muy rápido con la distancia, incluso cuando tienes  núcleos atómicos de mayor radio, la fuerza pierde   efecto, especialmente la interacción nuclear  fuerte. La razón por la que no ves la fuerza   electromagnética operando a grandes distancias,  aunque en teoría puede, como la gravedad,   es que no existen grandes concentraciones  de carga de la forma en que existen las   concentraciones de masa en el universo, porque las  concentraciones de carga tienden a equilibrarse,   tienden a igualarse. Si hay una carga positiva  enorme aquí y una carga negativa enorme acá,   se atraerán entre sí y, por lo tanto, se  convertirán en un gran pedazo de carga neutra,   y una vez que sean un gran pedazo de carga neutra  no interactuarán con nada más. Y con respecto a la   gravedad, si tienes una masa y otra masa y se  atraen entre sí, entonces tienes una masa más   grande, que es incluso mejor para atraer a otras  masas, y así seguirá atrayendo cosas hacia ella   cada vez más, y es por eso que la gravedad opera  en objetos realmente masivos en todo el universo.