Crédito de la imagen: Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF/LBNL, via http://cpepweb.org/.
Cuando se trata de las leyes fundamentales de la naturaleza, podemos dividir todo en cuatro fuerzas que están en el núcleo de todo en el Universo:
- La fuerza nuclear fuerte: la fuerza responsable de mantener juntos los núcleos atómicos y los protones y neutrones individuales.
- La fuerza electromagnética: la fuerza que atrae y repele partículas cargadas, une átomos en moléculas y vida, y causa corriente eléctrica, entre otras cosas.
- La fuerza nuclear débil: la fuerza responsable de algunos tipos de desintegración radiactiva y la transmutación de partículas fundamentales pesadas e inestables en partículas más ligeras.
- Y la gravedad: la fuerza que une la Tierra, el Sistema Solar y las estrellas y galaxias.
Las cuatro fuerzas fundamentales de nuestro Universo. Crédito de la imagen: Usuario de Wikimedia Commons Kvr.lohith, debajo… a c. c. a.-by-s. a. -4.0 licencia internacional.
Dependiendo de cómo lo mires, cada fuerza tiene una escala y una circunstancia bajo la cual brilla por encima de todas las demás.
Un átomo de helio, con el núcleo a escala aproximada. Crédito de la imagen: Usuario de Wikimedia Commons Yzmo,… bajo una licencia c. c. a.-s. a. -3.0 unported.
Bajar a las escalas más pequeñas 1 10^-16 metros, o un millón de veces más pequeñas que un átomo and y la fuerza nuclear fuerte puede superar a todos los demás. Tomar el núcleo de helio, por ejemplo: dos protones y dos neutrones, unidos en una configuración estable. Incluso la repulsión electromagnética entre los dos protones no es suficiente para superar la fuerza fuerte similar a un pegamento que mantiene unido al núcleo. Incluso si quitas un neutrón, dejándote con dos protones y solo un neutrón, ese isótopo de helio también es estable. La fuerza fuerte, a las distancias más pequeñas, superará consistentemente a todas las demás, y por lo tanto, bajo muchas circunstancias, puede considerarse la más fuerte.
La galaxia Centauro A, con sus chorros de alta energía causados por la aceleración electromagnética. Imagen… crédito: NASA/CXC / CfA / R. Kraft et al.
Pero intenta construir tu núcleo atómico demasiado grande y la fuerza electromagnética se hará cargo. El uranio-238, por ejemplo, escupirá un núcleo de helio de vez en cuando, ya que la repulsión entre las diferentes partes del núcleo es demasiado grande para que la fuerza fuerte lo mantenga unido. En escalas cósmicas más grandes, son los intensos campos magnéticos generados por las estrellas colapsadas y la materia cargada que gira rápidamente lo que puede acelerar las partículas a las mayores energías del Universo: los rayos cósmicos de energía ultraalta que nos bombardean desde todas las direcciones en el cielo. A diferencia de la fuerza fuerte, no hay límite para el alcance de la fuerza electromagnética; el campo eléctrico de un protón se puede sentir desde el otro lado del Universo.
Ilustración esquemática de la desintegración nuclear beta en un núcleo atómico masivo. Crédito de la imagen: Wikimedia… Inductiveload de usuario de Commons, creado en Inkscape y liberado al dominio público.
La fuerza nuclear débil podría parecer el candidato más débil para la fuerza más fuerte, dado su nombre, pero incluso este débil relativo tiene sus momentos para brillar. En las condiciones adecuadas, la fuerza electromagnética (que trabaja para repeler componentes con carga similar) y la fuerza nuclear fuerte (que trabaja para unir núcleos) pueden anularse entre sí, permitiendo que la fuerza débil de muy corto alcance cobre prominencia. Cuando lo hace, puede marcar la diferencia en la estabilidad de un sistema, ya que puede causar desintegración radiactiva (beta), donde un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un neutrino antielectrónico. Neutrones libres, muchos elementos pesados e incluso Tritio, el isótopo inestable que se encuentra en el agua radiactiva (tritiada), todos resaltan el poder de la fuerza débil.
Ilustración de un planeta de formación de estrellas del sistema. Crédito de la imagen: NASA / FUSE / Lynette Cook.
Pero en las escalas más grandes, de la escala de galaxias, cúmulos de galaxias y más-ninguna de las anteriores fuerzas importa mucho. Incluso el electromagnetismo, cuyo rango puede extenderse por todo el Universo, no tiene mucho efecto, ya que el número de cargas positivas (en su mayoría protones) y el número de cargas negativas (en su mayoría electrones) parecen ser exactamente iguales. Incluso observacionalmente, podemos limitar la diferencia de carga en el Universo a menos de una parte en 10^34. El Universo nos dice que a pesar de que el electromagnetismo puede ser mucho más fuerte que la gravedad entre dos partículas cualesquiera, si se juntan suficientes partículas que son eléctricamente neutras (o cercanas a ellas), la gravitación será la única fuerza que importa. La fusión nuclear y la presión de radiación asociada ni siquiera pueden separar las estrellas, ya que su fuerza de atracción gravitacional supera ese empuje energético hacia afuera.
Crédito de la imagen: Sloan Digital Sky Survey, de IC 1101, la galaxia individual más grande conocida en el… Universo.
Se pueden encontrar cúmulos de galaxias y enormes estructuras que abarcan más de mil millones de años luz de tamaño en todo el Universo. Y, sin embargo, si buscan estructuras de 8, 10 o 15 mil millones de años luz de diámetro, encontrarán absolutamente cero en todo el cosmos. La razón, bastante desconcertante, no se debe a ninguna de las fuerzas que hemos mencionado, sino a un fenómeno completamente inesperado: la energía oscura.
El Cúmulo de Galaxias El Gordo (abajo a la derecha), fotografiado por la Cámara de Energía Oscura. No está obligado a… las otras estructuras de la imagen. Crédito de la imagen: Estudio de Energía Oscura.
En las escalas más grandes, la cantidad fundamental y diminuta de energía inherente al espacio mismo, menos de un Julio de energía por kilómetro cúbico de espacio, es suficiente para superar incluso la atracción gravitatoria entre las galaxias y cúmulos más masivos del Universo. El resultado? Una expansión acelerada, a medida que las galaxias y cúmulos más distantes se alejan cada vez más unas de otras a velocidades cada vez más rápidas a medida que pasa el tiempo. En las escalas cósmicas más grandes, ni siquiera la gravedad se sale con la suya.
Crédito de la imagen: NASA & ESA, de posibles modelos del Universo en expansión.
Entonces, ¿quién es el más fuerte? En la escala más pequeña, es la fuerza fuerte. Para alcanzar las energías más elevadas, es la fuerza electromagnética. Para las estructuras encuadernadas más grandes, es la gravedad. Y en la escala más grande de todas, es el misterioso rompecabezas de la energía oscura. En términos de magnitud absoluta, la energía oscura es la cosa más débil de todas: le tomó al Universo casi la mitad de su edad solo para comenzar a revelar sus efectos, y ni siquiera fue descubierto por la humanidad hasta 1998. Pero el Universo es un lugar muy grande, y cuando sumen todo el volumen del espacio y miren hacia el futuro lejano, la energía oscura será la única fuerza que importa al final.