¿Cuántos campos de fuerza hay en la naturaleza?

Dejando a un lado la fantástica idea de la ciencia ficción de escudos protectores alrededor de naves espaciales o sobre ciudades, si le hacen esta pregunta, es posible que le venga a la cabeza el campo gravitatorio, el campo magnético y el campo eléctrico. Es posible. Son campos que afectan nuestras vidas cotidianas y que hemos experimentado en más de una ocasión.

Una de las sorpresas científicas que nos dio el siglo XIX fue que estos dos últimos, el campo eléctrico y el magnético, no eran completamente independientes sino que tenían influencia el uno sobre el otro. Un trozo de ámbar, bien frotado para que se cargue de electricidad estática, cuando lo movemos cerca de una brújula provoca que se mueva la aguja. Y si agitamos un imán cerca de un circuito eléctrico, se generan corrientes eléctricas que pueden llegar a encender una bombilla. Es decir, los campos eléctricos variables producen fuerzas magnéticas, y los campos magnéticos variables producen fuerzas eléctricas.

Como demostró James C. Maxwell ese mismo siglo XIX, todos los fenómenos eléctricos y magnéticos se pueden describir por un único sistema de ecuaciones matemáticas.

Este fenómeno, llamado inducción, es lo que está detrás de todos los motores eléctricos que usamos hoy en día, de la luz que produce la dinamo de nuestra bicicleta y de las cómodas placas de cocina por inducción.

¿Pero por qué ocurre esta influencia mutua? Porque, en realidad, el campo eléctrico y el magnético son lo mismo. Como demostró James C. Maxwell ese mismo siglo XIX, todos los fenómenos eléctricos y magnéticos se pueden describir por un único sistema de ecuaciones matemáticas. Al hacer esto, unificó estos campos. Con unificar queremos decir que la mera existencia de ese sistema de ecuaciones matemáticas que describía a la vez electricidad y magnetismo estaba demostrando que ambos eran dos caras de un mismo y único fenómeno: el electromagnetismo.

Las ecuaciones de Maxwell proporcionaban además una curiosa predicción: como los campos magnéticos variables inducen campos eléctricos y viceversa, se podría llegar a producir un campo magnético oscilatorio, que indujera a su vez un campo eléctrico oscilatorio, que indujera a su vez un campo magnético oscilatorio… ad infinitum. Esta especie de “onda electromagnética” viajaría por el espacio a una velocidad predicha también por el sistema de ecuaciones de Maxwell: la misma que la velocidad de la luz. Esa onda era de hecho ¡la propia luz!

La unificación de estos dos campos de fuerza daban por fin explicación a uno de los misterios más antiguos de la ciencia: la naturaleza de la luz. Durante el siglo XX se descubrió además que la energía que lleva una onda de luz no se distribuye de forma uniforme sino en paquetes, que se comportan como pequeñas partículas. Estos paquetes recibieron el nombre de “fotones”.

Tras la unificación de Maxwell no cabría por tanto hablar de tres, sino de dos campos de fuerzas: el gravitatorio y el electromagnético. Son campos que ejercen su acción a distancia y que en principio pueden llegar tan lejos como se quiera, o como dirían los científicos, que tienen un “alcance infinito”. Se atenúan por la distancia pero nunca llegan a desaparecer del todo. Por eso nuestra galaxia, la Vía Láctea, consigue atraer a la remota galaxia de Andrómeda, a pesar de lo increíblemente lejos que está (su luz tarda dos millones de años en llegarnos).

La fuerza nuclear débil

Lo que ocurre es que hay otros dos campos de fuerzas fundamentales más en la naturaleza. Pero no solemos saber mucho de su existencia debido a que son de muy, muy corto alcance. Su alcance está limitado a distancias subatómicas y no tienen ningún efecto apreciable en nuestro día a día. Se trata de la fuerza nuclear fuerte y de la fuerza nuclear débil, llamadas así por ser la segunda mucho más débil que la primera. De ellas dos, la fuerza nuclear débil es la que está detrás de todo este embrollo de los bosones de Higgs.

En los años 60 del s. XX se consiguió establecer la formulación que describía el comportamiento de la fuerza nuclear débil: debía estar mediada por tres partículas muy pesadas, una con carga eléctrica negativa, otra con carga positiva y otra neutra, sin carga. Pero ¿qué significa esto de que una fuerza esté “mediada por partículas”?

La visión moderna de las fuerzas es que se propagan por el espacio porque hay un intercambio de pequeñas partículas: dos imanes se repelen entre sí porque entre ellos hay un vaivén de partículas elementales que los “empujan”. En el caso de los imanes, y del campo electromagnético en general, quizá no le sorprenda saber que esas partículas mediadoras son precisamente los fotones que mencionábamos antes. En el caso de la gravedad, el responsable sería un hipotético gravitón, todavía no descubierto. En el caso de la fuerza nuclear débil, son las tres partículas que antes mencionábamos, tres partículas muy masivas que fueron llamadas W⁺, W^– y Z⁰. Justamente que sean tan masivas es la causa de que su alcance sea tan corto.

El mundo subatómico genera estas partículas mediadoras de fuerzas literalmente de la nada, sacando su energía del vacío. Pero como la energía se debe conservar (es una de las leyes fundamentales de la naturaleza) tarde o temprano hay que devolver ese préstamo de energía al vacío: la partícula generada de la nada volverá a desaparecer. Y además, su tiempo de existencia será más breve cuanto mayor sea su masa. Este tipo de “partícula fantasma” que aparece y desaparece es lo que llamamos “partícula virtual”. Las partículas virtuales de la fuerza nuclear débil son muy pesadas, y por ese motivo desaparecen apenas se han formado. No consiguen ir muy lejos; por ello la fuerza nuclear débil es una fuerza de corto alcance. En cambio, el fotón es una partícula sin masa (por difícil que resulte de imaginar) y puede ir tan lejos como quiera; por ello el campo electromagnético tiene un alcance infinito (y exactamente lo mismo debe ocurrir con el campo gravitatorio).

Las partículas de la fuerza nuclear débil, por entonces desconocidas, debían tener mucha masa por el motivo explicado en el párrafo anterior, y el valor de esta masa se podía estimar muy bien a partir de su corto alcance: cada una debía pesar casi tanto como ¡un átomo de plata!

Curiosamente, si no fuera por la masa de esas partículas W⁺, W^– y Z⁰, y porque dos de ellas tienen carga eléctrica, la fuerza nuclear débil y la electromagnética se parecerían mucho. De hecho, era casi como si fueran diferentes aspectos de un mismo fenómeno. ¿Podría estar sucediendo algo similar a lo que pasó un siglo atrás con los campos eléctrico y magnético?

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