Fuerzas Fosilizadas

El nombre de las fuerzas o interacciones fundamentales esta vencido: en los últimas décadas hemos descubierto tantas cosas sobre ellas que deberíamos empezar a considerar seriamente llamarlas con nombres más acertados ¿será posible?

«Una propuesta de nuevos nombres para la «fuerzas» fundamentales: fuerza gluónica, fuerza d’Faraday, fuerza mutagénica y fuerza geométrica» 
Enero 10 de 2014
http://bit.ly/trino-fuerzas

Las interacciones fundamentales y sus denominaciones populares

A veces los nombres que asignamos a las cosas de la naturaleza pueden convertirse en maldiciones que echamos sobre ellas y sobre el «entendimiento» que generaciones futuras tendrán de las mismas.

Los nombres de algunos objetos o fenómenos fueron asignados cuando todavía eran un misterio o cuando se usaban reglas arcaicas de nomenclatura; estos nombres se hacen extremadamente populares y después, cuando su naturaleza esta revelada y el nombre utilizado es engañoso o falaz toca intentar echar reversa.  En algunos casos la reversa funciona.

Hay que recordar, por ejemplo, que las lunas más grandes de Júpiter fueron los «planetas Mediceos» por un tiempo (para después recibir el nombre justo de «satélites galileanos») y algunos elementos químicos recibieron nombres exóticos cuando no se sabía que eran elemento comunes e incluso que ya tenían nombre.

Con otros el daño es permanente: así por ejemplo seguimos hablando de «átomos» (que en griego clásico significa «indivisible») cuando hoy sabemos que los átomos son sistemas compuestos y perfectamente divisibles (basta hacer una sopa para dividir los átomos de Cloro en la Sal).  Por suerte ya casi nadie sabe Griego Clásico (aunque no sé a que le suena a un griegoparlante la palabra átomo, además, obviamente de su acepción científica) y no encuentra extraño o poco informativo este arcaico nombre.  Otro ejemplo, «electricidad», que en griego vendría a significar «ambaricidad» o fenómeno del «ámbar» (una forma de sabia que se solidifica al salir de algunos árboles) y con la que se cree se identificaron y produjeron los primeros fenómenos eléctricos.  Hoy sabemos que la electricidad no es exclusiva del ámbar y que puede ser producida incluso con un imán; pero, otra vez, nadie habla griego antiguo como para confundirse.

Un caso moderno de nombres en la ciencia que hace rato alcanzaron la «fecha de vencimiento», es el de las Fuerzas, o mejor, Interacciones Fundamentales (utilizaré el término fuerza e interacción de manera intercambiable aquí; una discusión de la diferencia entre ambos términos esta fuera del alcance de esta entrada ¡por favor no sea purista!)  Nos referimos aquí obviamente a las cuatro formas diferentes en las que las partículas y otras formas de energía en el Universo interactúan entre sí.

El caso de los nombres comunes de las Interacciones Fundamentales, en contraposición con el de «átomo» o «electricidad», es más complicado.  Sus denominaciones populares e incluso los nombres técnicos, vienen de palabras en lenguas relativamente modernas y fácilmente comprensibles por personas que hablen cualquier idioma (sin temor a equivocarme aseguraría que han sido traducidas a la totalidad de las grandes lenguas existentes)  El problema, y este es mi punto en esta entrada, es que esos nombres ya «clásicos» de «Gravedad», «Fuerza Débil»,  «Fuerza Fuerte» e «Interacción electromagnética», pueden ser, a la luz de los descubrimientos de las últimas décadas en física, sutilmente engañosos y a veces totalmente falaces (*hace cara de querer convencer a los lectores aunque reconoce que esta exagerando un poco).  Veamos por qué.

¿Cuál es la interacción más sutil del Universo? ¿la más débil o prácticamente imperceptible en el maremagnum de las otras interacciones? «Debe ser la ‘Fuerza Débil’, por algo se llamará así» diría el principiante.  Utilizar la «intensidad» de las interacciones para nombrarlas no fue nunca, en mi buen saber y entender, una buena idea.    La intensidad de las fuerzas con las que interactúan partículas y otras formas de energía, dependen de muchos factores, incluyendo la distancia el espacio en el que se dan esas interacciones o la cantidad de aquello que hace que interactúen (masa o carga eléctrica por ejemplo).  Pero los físicos tenemos una manera peculiar de hablar de la intensidad de las interacciones: no nos referimos a la intensidad de la interacción en una situación particular sino aquella que se produce cuando tenemos una unidad de masa por ejemplo y la distancia es de una unidad también.  A esta intensidad, que tendría un valor igual en todo el Universo, se la llama la «constante de acople» de la interacción.  La interacción débil es poderosamente intensa a distancias increíblemente pequeñas y podría serlo más que la misma «fuerza fuerte» a distancias mayores.  Pero cuando se las compara en igualdad de condiciones (lo que es casi siempre muy difícil porque son muy diferentes), la «fuerza fuerte» gana (duh!).  Volviendo al punto inicial.  Después de esta prolongada aclaración, debe explicarse que la fuerza con la «constante de acople» más débil del Universo en realidad es la «Gravedad».  ¿Sorprendido? Vaya dígale a todo el mundo que el agujero negro central de la Vía Láctea utiliza la fuerza más débil del Universo para destruir estrellas y planetas enteros en un par de días ¡dudo que alguien le copie!

La intensidad relativa no es, según este argumento, una buena manera de nombrar las interacciones.

¿Qué les parece entonces utilizar un nombre relacionado con los sistemas en la naturaleza en las que ellas actúan? Así se nombraron en primer lugar la «Fuerza de Gravedad» (actúa sobre los cuerpos graves en la Tierra) y las «Fuerza Nuclear Fuerte» y «Nuclear Débil» que actúan supuestamente en los núcleos atómicos.  Otra vez, una falacia.

La gravedad, desde Newton, ya no tiene que ver con los cuerpos «graves» de la física aristotélica (en contraposición con el aire o el humo) o con caer y ser pesado.  Es claro que con la teoría de la Gravitación Universal del mismo Newton, el término «gravedad» adopto una acepción muchísimo más general.  Por «gravitar», ahora se entiende, mantenerse cerca a otro cuerpo por efecto de la tendencia a estar juntas de las cosas que tienen masa o energía (o sea todas en el Universo).  Un nombre antiguo que ahora tiene una acepción moderna.  El problema es que la cosmología contemporánea parecería estar enseñándonos que la «gravedad» tiene otros aspectos que no conocíamos y que hacen del concepto de «gravitar» una idea relativamente arcaica.  Y no estamos hablando de algo que se haya descubierto hace 2 o 3 años sino de un fenómeno predicho hace 3 décadas.  Me refiero a la inflación.

Naturalmente todos sabemos hoy que la teoría de Newton de la gravedad es realmente una forma matemáticamente correcta aunque conceptualmente incompleta de entender el fenómeno gravitacional.  Una teoría más completa de la «gravedad» (e increíblemente precisa y mas universal) esta contenida en la denominada «Teoría de la Relatividad» formulada por Einstein entre 1905 y 1916.  En esta teoría la tendencia de las cosas ha reunirse es producto de la relación íntima que hay entre la masa y la energía y la «forma» del espacio-tiempo «dentro» del cual se mueve.  En la mayoría de las situaciones las cosas parecen atraerse porque el espacio-tiempo en el que se mueven (que les dicta como hacerlo, siempre y cuando no hayan otras fuerzas implicadas) esta distorsionado en la dirección hacia otros cuerpos con mayor masa o energía.  La gravedad no es una tendencia misteriosa que tiene la masa y la energía a estar junta sino el resultado de la interacción mutua entre la masa y la energía y el espacio-tiempo, que también es parte integrante fundamental del Universo.

El léctor más atento y conservador podría decir que aún en la teoría de Einstein la tendencia a reunirse, sea cuál sea la causa, sigue siendo el síntoma fundamental de la gravedad. Por ello el nombre de «gravedad» no sería entonces engañoso.  El problema es que la relación entre el espacio-tiempo y la energía, especialmente ciertos tipos de energía, puede ser más compleja.  Se sabe ya, por argumentos teóricos, que es completamente posible que existan formas de energía en el Universo que en lugar de «arrugar» el espacio-tiempo hacia ellas lo hagan en la dirección opuesta.  En ese caso el resultado visible de la interacción gravitacional entre estas formas de energía no sería el de una gravitación o atracción, sino el de una repulsión. Bueno, pero estas formas de energía son sólo teóricas; no vamos a cambiar el nombre de la gravedad porque unos teóricos digan que «podría» existir algo muy raro.  El problema es que hasta ahora la única manera para explicar cómo el Universo surgió del caos informe de un supuesto principio (un estado inicial altamente denso, caliente y tal vez muy desordenad0) para convertirse en lo que vemos ahora, que es bastante «liso», ordenado y simétrico, es admitiendo que durante una breve etapa pudo haber estado dominado por estas formas de energía.  Si Newton hubiera nacido en estos instantes del Universo, la última palabra en la que habría pensado para describir la interacción que puso en movimiento la expansión, sería «atracción» o «gravedad».  Tal vez la habría llamado la «fuerza de repulsividad».

Mas grave aún: en años recientes (para ser exactos en los últimos 15 años) ha esta flotando en la cosmología moderna evidencia que demostraría una de dos cosas.  O bien todavía convivimos con una forma de energía capaz de torcer el espacio-tiempo «hacia afuera», producir repulsión y acelerar en el proceso la expansión del Universo.  Por supuesto me refiero a la hoy denominada «energía oscura».  Otra interpretación sería que hoy, después de tener instrumentos suficientemente poderosos para observar el Universo a una escala sin precedentes, estamos descubriendo que la (mal llamada) gravedad, sería, aún para la energía convencional, un poquito repulsiva siempre y cuando actúe en distancias enormes.  La cantidad que cuantificaría este aspecto hasta ahora no detectado, pero intuido por el mismo Einstein, se conoce como la constante cosmológica.

De nuevo, decir Gravedad en pleno siglo XXI es, para mí, inaceptable.

Vamos ahora al núcleo atómico.  Una o dos fuerzas (dependiendo del autor) llevan su nombre: la «Fuerza Nuclear Fuerte» y la «Fuerza (Nuclear) Débil».  En una era de aceleradores de partículas, rayos cósmicos, neutrinos solares, explosiones de rayos gama, hipernovas y cosmología observacional, llamar a estas fuerzas «nucleares» es una injusticia lamentable.

Para empezar la fuerza nuclear fuerte no es una fuerza fundamental.  Considerarla así sería como creer que la fricción es una quinta fuerza (en realidad la fricción es una manifestación de la fuerza electromagnética, que tiene también un mal nombre como veremos enseguida).  Si bien una descripción matemática sofisticada de la fuerza que sienten los protones y los neutrones en los núcleos atómicos es casi idéntica de la descripción matemática de otras fuerzas fundamentales, hoy (50 años después del surgimiento del modelo de los quarks) se sabe que la fuerza que siente un protón de un neutrón es debida a una compleja red de fenómenos relacionados con los quarks y gluones de los que están hechos.

El «gluon» o «pegamentón» si quieren, es una partícula elemental que viaja a la velocidad de la luz y que revolotea incesantemente entre los quarks dentro de protones y neutrones, manteniéndolos juntos (en procesos que todavía escapan una descripción exacta)  Pero los quarks y los gluones no son exclusivos de los protones y los neutrones.  Hay otras partículas hechas de quarks e incluso algunos lugares del Universo (tan grandes como una ciudad) donde podrían existir, sin que un solo protón, un neutrón y mucho menos una familia de ellos (núcleos atómicos) asomen las narices.  En los años 60s, esas partículas de la «fuerza fuerte» eran solo efímeras apariciones en el centro de colisiones muy energéticas.  Pero hoy y gracias a la Astrofísica y la Cosmología, sabemos que estas exóticas formas de materia están en todo el Universo.  Así por ejemplo: la alta atmósfera de la Tierra ebulle esporádicamente en «piones» (partículas compuestas de 2 quarks y muchos gluónes) creados por el choque de protónes y núcleos atómicos que fueron escupidos hace miles o millones de años en explosiones de estrellas.  Estos piones chocan y se desintegran en la atmósfera produciendo otras partículas.  De fondo en estos procesos esta la «fuerza nuclear fuerte», pero no hay núcleos siempre implicados.

El interior de las estrellas de neutrones podría estar dominado por partículas muy distintas a las que forman núcleos atómicos.  Es más, incluso en las regiones más superficiales de estas anormalidades astrofísicas, la distancia entre los pocos protones que hay y los abundantes neutrones sería tan pequeña que no podríamos identificar en ella núcleos atómicos.  Es decir, una estrella de neutrones esta dominada por la «fuerza nuclear fuerte» sin que un solo «núcleo» intervenga.

Nos han dicho también que la «fuerza nuclear débil» es la responsable de la desintegración radioactiva (por eso se le agrega a veces «nuclear»).  Pero también es la fuerza responsable de que los neutrinos, que son producidos en el centro del Sol y que nacen con una personalidad determinada (hay 3 tipos distintos de neutrinos) lleguen a la Tierra con una personalidad completamente diferente.  Esa misma interacción (que ya vimos antes no es la más débil en realidad) parecería ser la responsable de que las supernovas exploten.  De nuevo los neutrinos están en el centro de atención (son las partículas más populares del Universo que solo sienten la interacción débil y la gravitacional).  Una Supernova produce por efecto de la interacción débil entre electrones y protones (nada de núcleos atómicos) e incluso entre electrones y electrones mismos, tantos neutrinos que mucho antes de volverse un bombillo luz que ilumina media galaxia, se vuelve un faro poderoso de estas partículas fantasmales.  1 de cada mil neutrinos, en su salida del centro de la estrella, interactúa a través de la mal llamada «fuerza nuclear débil» con los protones, núcleos y electrones de las entrañas estelares, de tal suerte que el núcleo estelar se calienta tanto que explota.  Nada de desintegraciones radiactivas, pura «fuerza débil» propulsando uno de los eventos más energéticos del Universo.

Si no es débil y tampoco es nuclear, exclusivamente, ¿qué es entonces lo que hace a esta interacción diferente de las otras? 2 cosas: (1) es la interacción de más corto alcance que existe y (2) 2 de cada 3 veces (por decirlo de alguna manera) que dos partículas se «sienten» a través de esta interacción, sus «personalidades» cambian: un electrón se puede convertir en un neutrino o un quark se puede convertir en otro quark.  Es esta última propiedad la que se manifiesta en el caso específico de los núcleos atómicos en la forma de algunas desintegraciones radiactivas (la desintegración alfa del Americio en los detectores de humo no es producto en realidad de la «fuerza nuclear débil» sino de otro fenómeno llamado efecto túnel).  Pero en otros casos esta «fuerza transmutadora»  solo tiene efectos sutiles.  Así por ejemplo los neutrinos del tipo electrónico que salen del Sol al interactuar con protones y neutrones del interior solar cambian su personalidad y se convierten en potenciales neutrinos del tipo muónico o tauónico.  Ningún núcleo radioactivo esta implicado en este proceso.

Nos queda solo una interacción.  Tampoco se salvo de esta revisión.  Es la archi famosa «interacción electromagnética».  Para alguien que no hable griego antiguo el nombre es perfecto.  La interacción electromagnética es aquella que aparece cuando está de por medio electricidad o magnetismo (o los dos juntos como se sabe hoy).  ¿Cuál entonces puede ser la «mancha» en el nombre de esta interacción? El problema es que desde hace ya más de 100 años sabemos, y otra vez de la mano de Einstein, que lo que parecen dos fenómenos distintos aunque intimamente emparentados, la electricidad y el magnetismo, son en realidad uno solo.  Pero no en el sentido que le damos normalmente a esa unicidad (y el que le dio Maxwell), ese de que la electricidad produce magnetismo y viceversa; sino en el sentido de que ambos en realidad son el mismo fenómeno: un campo eléctrico es también uno magnético pero visto desde otra «perspectiva» en el espacio-tiempo.

Decimos eléctrico y magnético porque vemos un mundo en el que el espacio esta divorciado del tiempo (lo que es una ilusión de nuestros sentidos).  Las cosas están allí y allá y por otro lado envejecen (lo dicen nuestras intuiciones básicas).  Las cosas, sin embargo, son más interesantes (atentamente Einstein): los fenómenos están aquí-ahora y allí-mañana.  No se puede divorciar el lugar del tiempo.  Cuando uno separa las dos cosas se producen fenómenos curiosos como los que predice la relatividad: la duración de una película se alarga si alguien la ve en un tren de alta velocidad o en un avión a gran altura.  En realidad, la duración-longitud de la película, considerada como fenómeno en el espacio-tiempo, siempre es la misma, pero tendemos a ver las dos cosas por separado.

Pues bien lo eléctrico y lo magnético también son «indivisibles».  Lo eléctrico es como la parte temporal de algo más profundo y fundamental, lo magnético es la parte espacial de ese mismo algo.  Pero ¿qué es ese algo que existe en 4 dimensiones y que nuestros limitados sentidos dividen en eléctrico y magnético? Desde hace tiempo los físicos le tienen nombre: lo llaman el «campo de Faraday» (para aquellos colegas que no están familiarizados con esta notación me estoy refiriendo aquí al muy popular tensor electromagnético)

En síntesis: con la certeza de no hacer casi ninguna mella en nuestras tradiciones de la literatura científica, pero con el propósito de dejar al menos una incomodidad sembrada en todos ustedes y tal vez, incluso, de ofrecer ideas para la didáctica o la divulgación de la física y de describir de forma más rica las interacciones fundamentales, les propongo los siguientes nombres que se ajustan mejor a lo que sabemos en pleno siglo XXI sobre estas piezas centrales del Universo:

Nombre arcaico – Nombre propuesto:
Interacción o Fuerza Gravitacional – Interacción o Fuerza Espacio-Temporal
Interacción o Fuerza Electromagnética – Interacción o Fuerza de Faraday
Interacción o Fuerza Débil – Interacción o Fuerza Transmutadora
Interacción o Fuerza Fuerte – Interacción o Fuerza Gluónica

De todos modos, si mi embeleco tuviera algún eco, tal vez en poco tiempo debamos empezar a pensar en un nombre verdaderamente fundamental para las que podrían ser manifestaciones de una sola interacción.  O tal vez no.

Actualización.  Acaba de salir una interesante serie de reflexiones de grandes pensadores acerca de las ideas en la ciencia que están necesitando ya «cristiana sepultura».  Las reflexiones han sido recopiladas en el sitio Edge, http://bit.ly/ideas-cientificas-que-deberian-tener-cristiana-sepultura, e incluyen ideas que van desde «las Razas», «el Colapso de la Función de Onda», «El infinito», «El cerebro derecho e izquierdo» o la «Uniformidad y unicidad del Universo» ¡Fantástica lectura!  Sin ser invitado me atrevería a decir que esta entrada de blog que escribí un par de días antes de conocer esta iniciativa, es mi propia contribución a esta lista.  Los nombres de las Fuerzas Fundamentales merecen una «cristiana sepultura» en un suelo lo suficientemente fértil del que puedan salir nombres nuevos.  Y qué lugar más fértil que el mismo Internet…

¿Qué nombres propondrían ustedes? Dejo abajo una sencilla encuesta para que con la creatividad ilimitada disponible en la red escojamos los mejores nombres para las Interacciones Fundamentales obedeciendo justamente los detalles ahora conocidos sobre esas fuerzas y que me he esmerado en esbozar aquí ¡Anímense a cambiar la historia!

(Si no puede ver el formulario vaya a este enlace: http://bit.ly/nuevos-nombres-fuerzas)

Actualización, Enero 16 de 2014.  Francis Villatoro, a.k.a. @emulenews, me hace notar muy acertadamente que en realidad deberíamos hoy hablar de 5 fuerzas fundamentales y no solo de 4.  La «Quinta Fuerza» es aquella que une a todas las partículas con masa con el campo de Higgs ¡Vaya omisión la mía!  Si bien no es común considerar este «acoplamiento» como una interacción más, creo que el llamado de Francis es perfectamente válido.  Aprovechemos este momento entonces para darle a la «Fuerza de Higgs» su lugar en el podio.  Ahora bien, ¿cómo la vamos a llamar?  Francis propone (implícitamente en su trino) que las llamemos «Interacciones de Yukawa» (porque cada campo con masa tendría una interacción con el Higgs de intensidad diferente, justamente identificable con su masa)  Yo acabo implícitamente de proponer «Fuerza de Higgs» pero todos sabemos las discusiones presentes y pasadas sobre usar el nombre de tan solo uno de los 6 físicos que a mediados de los 60 propusieron la existencia de estas interacciones.  Les propongo entonces esta nueva denominación:

Nombre arcaico – Nombre propuesto:
(Inexistente) – Interacción o Fuerza de Masa

He agregado al formulario arriba un campo adicional para que envíen sus propuestas.