INTERPRETACIÓN DE LAS INTERACCIONES EN EL MARCO DE LA FÍSICA CUÁNTICA

 

Nos hemos referido hasta ahora a los dos tipos de interacción (gravitatoria y electromagnética) estudiados en detalle durante el predominio de la física clásica, es decir, en el periodo que comienza con el establecimiento de la mecánica de Newton y culmina con la formulación de la teoría electromagnética de Maxwell. Posteriormente se emprendieron trabajos (que hoy prosiguen) dedicados a investigar la naturaleza íntima de la materia. Uno de los problemas científicos que generó mayor atención fue la explicación de la estructura nuclear, cuyo estudio condujo a considerar dos nuevas fuerzas: La interacción fuerte que enlaza protones y neutrones, juntos, en el núcleo, y la fuerza débil, responsable de ciertas transformaciones de una partícula a otra, como la desintegración b de un núcleo radiactivo.

En el año 1934, al estudiar la interacción fuerte, el físico japonés Hideki Yukawa (1907-1981) planteó que la fuerza atractiva entre dos protones se podía deber al intercambio entre ellos de partículas virtuales. Por aplicación de las reglas cuánticas al núcleo dedujo que esas partículas virtuales deberían tener una masa intermedia entre la masa del protón y la masa del electrón. De este modo, el intercambio de tales partículas virtuales generaría la enorme fuerza necesaria para mantener la unión del núcleo. En aquel tiempo no se conocía ninguna partícula cuya masa fuera intermedia entre la del protón y la del electrón y Yukawa sugirió que buscaran la que él llamó cuanto U (a la que más tarde se denominó mesón, que quiere decir intermedio). Posteriormente se descubrió una familia de partículas que no resultaron exactamente acordes a lo previsto por Yukawa, pero si lo suficientemente parecidos como para confirmar que la idea de partículas nucleares intercambiando partículas mediadoras como portadores de la intensa fuerza nuclear debía ser considerada. Por estos trabajos Yukawa recibió el premio Nobel de física en 1949.
 

 

Así se generó el concepto, que hoy postula la teoría cuántica, de que toda interacción se debe al intercambio de partículas mediadoras, llamadas bosones, que portan el campo de fuerza correspondiente. En el contexto de esta teoría una partícula elemental es un tipo de excitación de un campo (de acuerdo con la dualidad onda-partícula) y es el cuanto del campo lo que se transmite en una interacción y es intercambiado entre los objetos que se ejercen fuerza.
 

Interacciones y partículas mediadoras
Fuerza Alcance Partícula Intermediaria
Gravitación Largo Gravitón
Electromagnetismo Largo Fotón
Fuerza nuclear débil Corto Bosones W+, W- y Z
Fuerza nuclear fuerte Corto Gluones
 

Así, la fuerza electromagnética se debe al intercambio de fotones (cuantos del campo electromagnético) entre cargas, corrientes o imanes, la interacción débil se explica por la mediación de otras partículas llamadas bosones W y Z, la interacción fuerte se explica por el intercambio de gluones (se llaman así debido a sus propiedades de unión, similares al pegamento), y la fuerza gravitatoria se debería explicar también mediante el intercambio de otras partículas denominadas gravitones. Todas esas interacciones pueden producir ondas, y los bosones que las transmiten (como el fotón) no son otra cosa que la cuantización de esas ondas.
 

Hay pruebas experimentales de peso de la existencia de gluones y se han observado directamente en los aceleradores de partículas los bosones W y Z. Pero, la detección experimental directa del gravitón es aún una tarea pendiente.