En esta serie sobre las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que dan forma a nuestro universo, llegamos a la fuerza que impacta de forma más expresiva nuestras vidas. Hemos visto cómo la gravedad moldea las estructuras a gran escala de nuestro universo, uniendo la materia para formar estrellas y planetas. La fuerza nuclear fuerte contribuye a combinar los nucleones en elementos esenciales para la vida, liberando sus prodigiosas energías que hacen brillar las estrellas. Con la fuerza electromagnética, descubrimos la esencia no solo de la estructura atómica, sino también de la forma y la belleza visible de todo lo materialmente existente.
La estructura atómica está determinada por la fuerza electromagnética, ya que esta es la única fuerza que mantiene a los electrones en órbita alrededor del núcleo. La gravedad y la fuerza nuclear fuerte no influyen en las propiedades químicas ni en las interacciones de los átomos. La gravedad es ampliamente superada en fuerza por la fuerza eléctrica entre electrones y protones (por un enorme factor de 1036), y la fuerza nuclear ni siquiera actúa sobre los electrones.
Los detalles de los átomos
La mecánica cuántica rige los detalles de la estructura atómica debido a que la escala atómica es tan pequeña que las propiedades ondulatorias de los electrones no pueden ignorarse. Por lo tanto, la mecánica newtoniana, que trata las partículas como fragmentos sólidos localizados de materia, no logra captar la mayoría de las características más sutiles de los átomos. Sin embargo, incluso en las ecuaciones de la mecánica cuántica (principalmente la ecuación de Schrödinger), la intensidad de la fuerza eléctrica proporciona los resultados específicos de la naturaleza de los átomos.
Regidos por la fuerza electromagnética, los átomos interactúan entre sí para formar la sustancia de todo lo que vemos y somos. La humedad del agua, la frialdad del acero, la dureza de la piedra, la salinidad de la sal y todas las demás propiedades de la materia deben su existencia a las manifestaciones de la fuerza electromagnética entre las partículas cargadas que la componen.
Campos vivos de hierba verde
La textura de los objetos materiales no solo depende de la fuerza electromagnética, sino también de sus interacciones con la luz, lo que nos da su color aparente en las longitudes de onda que los objetos reflejan en lugar de absorber. ¿Por qué son verdes los campos de hierba (y las hojas y las acículas de los árboles)? Quizás sepamos que la molécula clorofila contribuye a producir este agradable color, pero en esencia reside la naturaleza y la intensidad de la fuerza electromagnética, ajustada para permitir que la vegetación absorba la luz roja y azul y refleje la luz verde del espectro arcoíris de nuestro sol. Además, la interacción de la clorofila con la luz impulsa la fotosíntesis, mediante la cual las plantas extraen energía y producen oxígeno como subproducto.
Sería imposible sobreestimar la importancia de la fotosíntesis en el mantenimiento de la vida en la Tierra… Si la fotosíntesis cesara, pronto habría poca comida u otra materia orgánica en la Tierra.
La fuerza electromagnética se refleja en la fuerza de atracción entre las partículas positivas y negativas (protones y electrones, respectivamente) que componen la materia física. Al absorber la luz, debe existir una correspondencia armoniosa, o resonancia, entre la energía de una longitud de onda o color de luz específico y los niveles de energía disponibles de los estados electrónicos de la sustancia. Esta correspondencia depende de la intensidad de nuestra fuerza específica.
Un dispositivo sencillo de la escuela secundaria
En física, las fuerzas eléctricas y magnéticas se agrupan en una sola fuerza. Vemos indicios de esta unidad en un dispositivo sencillo que podríamos haber construido en la clase de ciencias de secundaria: un electroimán. Enrolla un alambre alrededor de un clavo de hierro, conecta los extremos a la pila de una linterna y tendrás un imán capaz de recoger objetos pequeños como clips. O, si lo amplías, puedes crear un electroimán lo suficientemente potente como para recoger coches viejos en un depósito de chatarra. En cualquier caso, las cargas eléctricas en movimiento (electricidad que fluye a través del alambre) crean un campo magnético.
En el siglo XIX, Michael Faraday descubrió que un campo magnético en movimiento (o cambiante) puede crear electricidad. La simetría va aún más allá y puede expresarse así: un campo eléctrico cambiante crea un campo magnético cambiante, y un campo magnético cambiante crea un campo eléctrico cambiante. Para que no piensen que me he excedido en los detalles de la física, lo que acabo de describir son ondas de radio, o cualquier forma de radiación electromagnética, incluida la luz.
Una naturaleza profundamente diseñada
En los diversos materiales que componen nuestro mundo físico, la intensidad precisa de la fuerza eléctrica sobre los electrones más externos (de valencia) determina si dicho material actúa como aislante, conductor o semiconductor. Nuestro éxito en el desarrollo de la tecnología eléctrica y la electrónica compleja depende de la disponibilidad de las tres variedades de materiales; la falta de tan solo una de ellas haría que la tecnología eléctrica fuera imposible o gravemente limitada.
La fuerza electromagnética es responsable de las propiedades de la luz y también determina cómo interactúa con los átomos y las moléculas, proporcionando el sustento fundamental para la vida. Las propiedades esenciales de la fuerza electromagnética sustentan cada interacción química, permitiendo que la bioquímica precisa y compleja de nuestras células funcione correctamente y nos mantenga vivos. Como físico y persona con un interés personal en la vida, me maravilla la naturaleza profundamente diseñada de la fuerza electromagnética.
Artículo publicado originalmente en inglés por Eric Hedin Ph.D. en Science & Culture
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