2007/04/01

Que la fuerza ... y la incertidumbre nos acompañen


En el ensayo "Certidumbre de la incertidumbre" (post anterior), Isaac Asimov nos indica que el principio de incertidumbre no es una simple cuestión filosófica de la que podamos prescindir por comodidad. Entre otras cosas dice Asimov que: "Si no existiese el principio de incertidumbre, tampoco existiría el Universo, tal como lo conocemos; pues la existencia de todos los átomos, menos los de hidrógeno, depende de dicho principio". Asimov se refiere a la fuerza que mantiene la cohesión de los protones y, en realidad, a todas las demás fuerzas fundamentales.

Hacia 1911 Ernest Rutherford había demostrado la existencia del núcleo atómico, y durante los próximos veinte años siguientes parecía establecida su estructura general. Excepto el núcleo del isótopo más común del hidrógeno, que estaba constituido por un solo protón, el resto de núcleos se sabía que estaban formados del mismo número de protones, con carga positiva, que el de electrones con carga negativa y suponían que éstos actuaban como una especie de "cemento nuclear". Es decir, impedían que la repulsión de los protones desintegrara el núcleo. Sin embargo, con el descubrimiento de los neutrones ( James Chadwick,1932) se constató que los núcleos en realidad estaban formados por estas partículas, semejantes a los protones pero sin carga, y por los protones. Además era la única forma en que se podía solucionar un problema surgido con un número cuántico de "giro" llamado espín, característico de las partículas subatómicas, que de otra forma no se conservaba.

Pero, como dice Asimov, "había caido una gigantesca mosca en el vino". El núcleo estaba lleno de repulsión y no había nada que lo mantuviese unido. Se necesitaba una fuerza que actuara a distancias tan pequeñas como las que presenta el núcleo atómico y que fuese mucho mayor que la fuerza eléctrica, pero no se conocía ninguna fuerza tan potente. Sin embargo el principio de incertidumbre en la versión energía-tiempo:


(Incertidumbre en la Energía) x (Incertidumbre en el Tiempo) = (h/ 2 Pi)

era la solución, según el propio Heisenberg. La nueva fuerza, que acabaría llamándose interacción fuerte, era debida al intercambio de una partícula virtual entre los protones. Se llama así porque aparece y desaparece cumpliendo el principio de incertidumbre en la versión energía-tiempo que hemos indicado. Esta partícula ejercía de cemento nuclear entre los componentes del núcleo atómico. La partícula de intercambio tenía que durar lo bastante para ir y volver de un protón al inmediato. Sabiendo el tiempo aproximado se podía averiguar su energía por el principio de incertidumbre. Se hicieron los cálculos y así se pudoa saber la masa de la partícula y predecir sus propiedades, se determinó que debía ser del orden de 270 veces más pesada que el electrón y, lógicamente, debía interactuar con los protones.

En 1948, un grupo de físicos ingleses, dirigidos por Cecil Francis Powell, al estudiar los rayos cósmicos en los Andes bolivianos, observaron una partícula que cumplía las características esperadas y se le llamó "mesón-pi" o pión (llamado mesón por ser de masa intermedia entre el proton y el electrón).

El principio de incertidumbre sirve para algo más que para no dejarnos medir, con exactitud y simultáneamente, pares de magnitudes tales como la velocidad-posición o energía-tiempo. Sin él nuestro mundo no sería como es y no existirían las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Cada una de ellas necesita de una partícula virtual que es intercambiada en la interacción correspondiente. En la fuerza nuclear fuerte se intercambia un mesón-pi o pión, en la electromagnética un fotón y en la gravitatoria un gravitón (hipotéticamente). Ese intercambio cumple rigurosamente el principio de incertidumbre en la versión energía-tiempo, de forma que el tiempo del intercambio por la energía de la partícula debe ser menor que el cuanto de acción de Planck dividido por 2Pi. En caso de ser mayor, la partícula pasaría a ser estable y se habría formado de la nada. Conforme sea mayor la masa de la partícula intercambiada, menor será el alcance de la fuerza por ser exigible un menor tiempo de interacción. La fuerza electromagnética, por ejemplo, tiene como partícula de interacción el foton, de masa nula en reposo, por lo que su alcance es practicamente infinito. La frontera que mantiene a esas partículas en el reino de las sombras es tan fina como lo es la constante h/2Pi.

2 comentarios:

Anónimo dijo...

Buenas Salvador.

Perdona pero te quería pedir una aclaración.
En este post dices que la partícula que se intercambia en la interacción nuclear fuerte es el pión. Yo tenía entendido que era el gluón.
Si los gluones són los que interactúan con los quarks que componen los protones y neutrones.
¿Como nace la interacción que realizan los mesones Pi entre los protones y los neutrones del núcleo?
¿Es un residuo de la interacción creada por los gluones?

Gracias.
Xavier.

Salvador dijo...

En el post nos situamos en el principio de la teoría que explica la atracción de los protones, a pesar de la tremenda repulsión eléctrica. Posteriormente se ha desarrollado la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD)que explica las interacciones fuertes entre partículas nucleares en términos de la "fuerza de color" entre quarks y antiquarks (las partículas constituyentes de los protones y neutrones).
En una escala más elemental, son los gluones las partículas portadoras de la fuerza nuclear fuerte, que mantienen unidos a los quarks para formar otras partículas, que ahora sabemos no elementales, como protones y neutrones. De hecho los piones están formados a su vez por quarks.
En el post quería resaltar el papel del principio de incertidumbre, más que profundizar en otros aspectos más complejos como la cromodinámica cuántica.
Gracias por el comentario. Un saludo.