Las cuatro fuerzas fundamentales: infografía, aplicaciones y línea de tiempo

Todas las interacciones observadas hasta hoy se reducen a las cuatro interacciones fundamentales. Cada una tiene un portador (partícula que media la fuerza), un rango y un orden de magnitud de intensidad respecto a la fuerza electromagnética:

\text{Gravedad} \sim 1,\qquad \text{Nuclear débil} \sim 10^{25},\qquad \text{Electromagnética} \sim 10^{36},\qquad \text{Nuclear fuerte} \sim 10^{38}

Estas intensidades se comparan a distancias de orden 10^{-15}\,\text{m} (el tamaño del núcleo).

Fuerza electromagnética (EM). Actúa entre cargas eléctricas y entre imanes. Su intensidad crece al disminuir la distancia como

F_{EM}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_{0}}\frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}

Los electrones ligados a los núcleos por esta fuerza dan la estructura de la materia; su manifestación son la luz, la electricidad y el magnetismo, todos descritos por un único campo, el electromagnético. Portadores: fotones, que no tienen masa; el rango es infinito.

Fuerza nuclear fuerte (NF). Mantiene unidos los protones y neutrones del núcleo a pesar de la repulsión eléctrica entre protones. Típicamente es 100 veces más intensa que la EM a r\sim 10^{-15}\,\text{m}, pero su rango es muy corto (aprox. 10^{-15}\,\text{m}); portadores: gluones, ocho partículas sin masa. La energía nuclear proviene de la diferencia de masa nucleónica (defecto de masa): \Delta E = \Delta m\, c^{2}.

Fuerza nuclear débil (ND). Es la única que puede cambiar el sabor de un quark (por ejemplo, convertir un protón en un neutrón) y causa la radiactividad beta. Su intensidad es mucho menor que la NF, pero su rango es el más corto de todos: ​\sim 10^{-18}\,\text{m}. Portadores: bosones W^{+}, W^{-} y Z^{0}, muy masivos. Gracias a ella el Sol convierte hidrógeno en helio.

Fuerza gravitatoria (FG). Atrae toda la materia con masa; siempre es atractiva y de alcance infinito. Es la más débil de las cuatro, pero domina a grandes distancias (planetas, galaxias). Se calcula con la ley de Newton

F_{G}=G\frac{m_{1}m_{2}}{r^{2}},\qquad G=6,67\times 10^{-11}\,\frac{\text{N}\cdot\text{m}^{2}}{\text{kg}^{2}}

y se explica por la curvatura del espacio-tiempo según la relatividad general de Einstein (1915).

• EM: máquinas eléctricas, imanes (MRI), telefonía, óptica y comunicaciones por fibra óptica.
• NF: energía nuclear de fisión y fusión; estabilidad de los núcleos y de la vida.
• ND: medicina nuclear, datación con ^{14}\text{C}, detectores de neutrinos.
• FG: navegación satelital y GPS, mareas oceánicas, estructura de galaxias.

Se sugiere la siguiente cronología para el bloque “LÍNEA DE TIEMPO” de la infografía:

timeline
    title Línea de tiempo de las interacciones fundamentales
    1687 : Newton publica la Ley de la Gravitación Universal
    1865 : Maxwell unifica electricidad y magnetismo
    1895 : Becquerel descubre la radiactividad
    1905 : Einstien explica el efecto fotoeléctrico (fotones)
    1911 : Rutherford descubre el núcleo atómico
    1928 : Dirac predice el antimateria
    1935 : Yukawa propone el mesón (fuerza nuclear fuerte)
    1937 : Fermi formula la teoría de la interacción débil
    1947 : Se descubren los piones y kaones
    1965 : Modelos de quarks (Gell-Mann y Zweig)
    1983 : CERN descubre los bosones W y Z
    1998 : Se detecta la expansión acelerada (energía oscura)

La plantilla de la página exige: TITULAR, ENCABEZADO, CUADRO ESTADÍSTICO, GRÁFICO, dos bloques de TEXTO, IMAGEN CENTRAL con PRIMER PLANO, LÍNEA DE TIEMPO, FUENTE y CRÉDITOS.

mindmap
  root((Las cuatro<br>fuerzas<br>fundamentales))
    Electromagnética
      Fotón, sin masa
      Alcance infinito
      Luces, imanes, circuitos
    Nuclear fuerte
      Gluones, sin masa
      Alcance ~10^-15 m
      Energía nuclear
    Nuclear débil
      Bosones W y Z
      Alcance ~10^-18 m
      Radiactividad beta
    Gravitatoria
      (gravitón hipotético)
      Alcance infinito
      Órbitas y mareas

Cuadro estadístico sugerido:

Fuente: libros de texto y páginas institucionales (CERN, NASA). Créditos: estudiante y referencias citadas.