A todos nos ha surgido alguna vez la siguiente pregunta: ¿cómo saben los electrones
que hay electrones a una cierta distancia que les repelen? Las fuerzas a distancia son
algo que siempre resulta muy oscuro, ya que en secundaria nos dejan con la
explicación de que son fuerzas a distancia sin que nada toque ambos objetos. Ahora
bien, no es así del todo. En realidad sí que hay una ‘cosa’ que ‘toca’ los cuerpos.
Ahora bien, se conoce de electrodinámica que si coges una partícula y la aceleras (o
frenas), esta emite una onda de energía en el campo electromagnético (Ley de
Larmor). Esto es debido a que la luz, y por tanto el campo electromagnético, se
propaga a una velocidad finita, por lo que tarda en adaptarse al cambio de movimiento
de la partícula, generando una onda. Como sabemos, las ondas electromagnéticas son
la luz, y la luz está formada por fotones. Por lo que concluimos que al frenar o acelerar
una partícula cargada, esta emite fotones con una cierta energía. Ahora vamos a juntar
piezas.
Si un electrón se frena por lo que sea, emitirá un fotón, el cual puede llegar a otro
electrón en otro punto del espacio, absorbiendo este la energía del fotón y
acelerándose. Es como si tuviéramos un sistema de bolas de billar. El primer electrón
‘choca’ con el fotón (realmente lo produce), yendo hacia la izquierda el electrón y el
fotón a la derecha, para que el fotón choque con el segundo electrón y este vaya a la
derecha. Y claro, como solo vemos los dos electrones, pensamos que se están
repeliendo por arte de magia. Realmente es algo más complejo, ya que hay campos
cuánticos metidos por el medio, pero la idea es esta. Sin embargo, hay más chicha.
Lo primero que debemos saber es que existen unas cosas llamadas campos que llenan
todo el universo. Un campo es una forma de representar que hay una cantidad que en
cada punto del espacio tiene un cierto valor. Por ejemplo, en una sala hay un campo
de temperaturas, ya que en cada punto hay un cierto valor de temperaturas. Esto es
un campo escalar. También podemos tener campos que tengan dirección y sentido,
como el campo del viento, que nos dice la velocidad del viento y su dirección y sentido.
Esto es un campo vectorial. Un forma de imaginarnos los campos sería pensar en el
agua que llena el mar, que tiene concentraciones de sal distintas en cada punto, o la
superficie de un lago, donde puede haber distintas alturas del agua.
Ahora bien, las partículas se describen con campos cuánticos. En cada uno de estos
campos podemos describir las partículas como ondas en este campo. Imaginad la
superficie de un lago en la cual tiramos una piedra. Del punto en el que impacta la
piedra salen unas ondas, pues estas ondas serían las partículas correspondientes de
cada campo.
Pues bien, si tenemos una onda, podemos tener la onda contraria en oposición de
fase, siendo que si juntamos las dos se anulan. Pues bien, con algunas partículas como
el electrón pasa algo parecido. El electrón tiene una antipartícula llamada positrón, de
misma masa y carga opuesta. Cuando un electrón choca con un positrón, ambos se
destruyen produciendo un fotón. Y al revés, un fotón puede producir un par electrón-
positrón de la nada si tiene suficiente energía. ¿Por qué te estoy contando todo esto?
Porque hay un fenómeno muy interesante, que también nos servirá para explicar
porqué no estalla el núcleo atómico.
Se puede demostrar que el vacío tiene energía propia. Y no poca, infinita. Por tanto,
pueden producirse pares de partículas de la nada debido a las fluctuaciones cuánticas
de energía, pero solo a distancias muy cortas por el principio de incertidumbre de
Heisenberg.
Nosotros sabemos bien que el protón está formado por unas partículas más
fundamentales llamadas quarks. Estas partículas tienen tanto carga eléctrica como una
carga llamada carga de color. Esta carga de color tiene un equivalente al fotón para
hacer sus interacciones, la fuerza fuerte, que es el gluón (de glue, pegamento en
inglés). Esta carga hace que los quarks siempre quieran estar pegados, aumentando la
fuerza con la distancia a tales niveles que si los separas suficiente se genera tanta
energía que se produce un par quark-antiquark. Por eso no se pueden ver aislados,
siempre están formando partículas. Entonces el protón está formado por estos 3
quarks (up, up y down). Pero recuerda que dijimos que el vacío tiene energía y
produce pares constantemente, por lo que realmente en el protón, al ser tan pequeño,
se producen una infinidad de quarks y antiquarks. Lo que sucede es que si restas
quarks y antiquarks, siempre va a haber 3 quarks, pero todos son relevantes. Aquí
entra la no explosión del núcleo atómico.
Dijimos que cuando hay electrón y positrón se produce un fotón, pues con quark y
antiquark se produce un gluón. Este gluón puede salirse del protón y comunicarse con
algún quark de otro protón del núcleo, atrayéndolo. Y como esta fuerza fuerte es
mucho más fuerte que la repulsión eléctrica, al final acaban atrayéndose muy cerca.
Otra forma de verlo es que al final el núcleo acaba siendo realmente un mar de quarks
y antiquarks, donde solo tenemos la atracción fuerte y las atracciones y repulsiones
eléctricas mucho más débiles entre estos, sin protones propiamente dichos.
Otra cosa importante aquí es que si sumamos las masas de los 3 quarks (del orden del
MeV) no tenemos ni de lejos los 938 MeV de masa del protón. Esto es porque la
mayoría de la masa del protón surge de los gluones y los pares quark-antiquark. Lo
cual nos deja con la curiosa imagen de que el protón está casi vacío, pero a la vez está
completamente lleno de infinitas partículas y que la mayoría de su masa realmente es
el vacío.
Pero aún queda otra interacción más curiosa, la interacción débil. Esta interacción
viene mediada por 3 partículas, los bosones W positivo y negativo y el bosón Z. Esta
interacción lo que hace es transformar unas partículas fundamentales en otras y es la
que genera las desintegraciones. En esta interacción la carga es la carga de sabor (no
es broma) y básicamente estos bosones cambian el sabor de las partículas
intervinientes.
Por ejemplo, un neutrón se puede transformar en un protón, un electrón y un
antineutrino electrónico debido a que un quark down del neutrón se transforma en un
quark up y un bosón W negativo. Tras ello, este bosón se transforma en un par
electrón-antineutrino electrónico. Ambos son procesos parecidos al del electrón
emitiendo un fotón y el fotón convirtiéndose en un par. Sin embargo, aquí el quark
cambia de forma al emitirlo y el bosón no genera un par partícula-antipartícula, sino
que genera dos partículas distintas.
Estas interacciones son 3 de las 4 interacciones fundamentales del universo, las cuales
se cree que podrían ser formas de una única interacción más fundamental. De hecho,
la electromagnética y la débil ya forman la interacción electrodébil. Así que ya sabéis,
no todo es tan misterioso como simplemente acciones a distancia.
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