Categoría: Espacio Publicado: 22 de mayo de 2013
En realidad, la gravedad es la más débil de las cuatro fuerzas fundamentales. Ordenadas de la más fuerte a la más débil, las fuerzas son 1) la fuerza nuclear fuerte, 2) la fuerza electromagnética, 3) la fuerza nuclear débil y 4) la gravedad. Si tomamos dos protones y los mantenemos muy juntos, ejercerán varias fuerzas entre sí. Como ambos tienen masa, los dos protones ejercen una atracción gravitatoria entre sí. Como ambos tienen una carga eléctrica positiva, ambos ejercen una repulsión electromagnética entre sí. Además, ambos tienen carga interna de «color» y, por tanto, ejercen atracción a través de la fuerza nuclear fuerte. Como la fuerza nuclear fuerte es la más fuerte a corta distancia, domina sobre las demás fuerzas y los dos protones se unen, formando un núcleo de helio (normalmente se necesita también un neutrón para mantener estable el núcleo de helio). La gravedad es tan débil a escala atómica que los científicos pueden ignorarla sin incurrir en errores significativos en sus cálculos.
Sin embargo, a escala astronómica, la gravedad domina sobre las otras fuerzas. Esto se debe a dos razones: 1) la gravedad tiene un gran alcance, y 2) no existe la masa negativa. Cada fuerza se extingue a medida que los dos objetos que la experimentan se separan más. El ritmo de extinción de las fuerzas es diferente para cada una de ellas. Las fuerzas nucleares fuertes y débiles son de muy corto alcance, lo que significa que fuera de los diminutos núcleos de los átomos, estas fuerzas se reducen rápidamente a cero. El diminuto tamaño de los núcleos de los átomos es un resultado directo del corto alcance de las fuerzas nucleares. Dos partículas que están separadas por nanómetros están demasiado lejos la una de la otra para ejercer una fuerza nuclear apreciable entre ellas. Si las fuerzas nucleares son tan débiles para dos partículas separadas sólo por nanómetros, debería ser obvio que las fuerzas nucleares son aún más insignificantes en escalas astronómicas. Por ejemplo, la Tierra y el Sol están demasiado lejos el uno del otro (miles de millones de metros) para que sus fuerzas nucleares se alcancen. En contraste con las fuerzas nucleares, tanto la fuerza electromagnética como la gravedad tienen efectivamente un alcance infinito* y se extinguen en fuerza como 1/r2.
Si tanto el electromagnetismo como la gravedad tienen efectivamente un alcance infinito, ¿por qué la tierra se mantiene en órbita alrededor del sol por la gravedad y no por la fuerza electromagnética? La razón es que no existe la masa negativa, pero sí la carga eléctrica negativa. Si se coloca una sola carga eléctrica positiva cerca de una sola carga eléctrica negativa, y luego se mide su fuerza combinada sobre otra carga distante, se encuentra que la carga negativa tiende a anular un poco la carga positiva. Este objeto se llama dipolo eléctrico. La fuerza electromagnética causada por un dipolo eléctrico muere como 1/r3 y no 1/r2 debido a este efecto de cancelación. Del mismo modo, si tomamos dos cargas eléctricas positivas y dos negativas y las colocamos bien juntas, habremos creado un cuadrupolo eléctrico. La fuerza electromagnética debida a un cuadrupolo eléctrico se extingue aún más rápidamente, como 1/r4, porque las cargas negativas hacen un buen trabajo de cancelación de las cargas positivas. A medida que se añaden más y más cargas positivas a un número igual de cargas negativas, el alcance de la fuerza electromagnética del sistema se hace cada vez más corto. Lo interesante es que la mayoría de los objetos están hechos de átomos, y la mayoría de los átomos tienen un número igual de cargas eléctricas positivas y negativas. Por lo tanto, a pesar de que la fuerza electromagnética bruta de una sola carga tiene un alcance infinito, el alcance efectivo de la fuerza electromagnética para los objetos típicos como las estrellas y los planetas es mucho más corto. De hecho, los átomos neutros tienen un alcance electromagnético efectivo del orden de los nanómetros. En las escalas astronómicas, sólo queda la gravedad. Si existiera la masa negativa (la antimateria tiene masa positiva), y si los átomos contuvieran generalmente partes iguales de masa positiva y negativa, la gravedad correría la misma suerte que el electromagnetismo y no habría ninguna fuerza significativa a escala astronómica. Afortunadamente, no hay masa negativa y, por tanto, la fuerza gravitatoria de varios cuerpos cercanos es siempre aditiva. En resumen, la gravedad es la más débil de las fuerzas en general, pero es la dominante a escala astronómica porque tiene el mayor alcance y porque no hay masa negativa.
*NOTA: En la descripción anterior, he utilizado la antigua formulación newtoniana de la gravedad. La gravedad se describe con más precisión mediante la formulación de la Relatividad General, que nos dice que la gravedad no es una fuerza real sino una deformación del espaciotiempo. A escalas más pequeñas que los grupos de galaxias y lejos de las masas superdensas como los agujeros negros, la gravedad newtoniana es una excelente aproximación a la relatividad general. Sin embargo, para explicar adecuadamente todos los efectos, hay que utilizar la Relatividad General. Según la Relatividad General y las numerosas mediciones experimentales que la confirman, la gravedad no tiene un alcance infinito, sino que desaparece en la escala mayor que los grupos de galaxias. Por lo tanto, la gravedad sólo tiene un comportamiento 1/r2 y un alcance «ilimitado» en la escala menor que los grupos de galaxias. Por eso he dicho que la gravedad tiene «efectivamente» un alcance infinito. En las escalas más grandes, nuestro universo se expande en lugar de ser atraído por la atracción gravitatoria. Este comportamiento lo predice la relatividad general. En escalas más pequeñas que los grupos de galaxias, el espaciotiempo actúa dominantemente como la gravedad atractiva newtoniana, mientras que en escalas más grandes, el espaciotiempo actúa como algo completamente diferente que se está expandiendo.
Temas: electromagnetismo, fuerza, gravedad, fuerza nuclear, alcance