En un artículo anterior, vimos el papel de la gravedad en la configuración de la estructura a gran escala de nuestro universo y en la unión de la materia para formar estrellas y planetas esenciales para la vida. Ahora, exploremos el papel fundamental de otra de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, la fuerza nuclear fuerte. Su contribución a la creación de componentes esenciales de nuestro universo y a permitirnos existir se ve en la forma en que mantiene unidos los núcleos1. Sin la acción de la interacción fuerte entre los núcleos (protones y neutrones), la tabla periódica se limitaría únicamente al elemento más simple, el hidrógeno, y el universo estaría desprovisto de vida.

El hidrógeno, como átomo, consta de un solo protón como núcleo, rodeado por un electrón mantenido en órbita por la fuerza eléctrica (en la que nos centraremos en un artículo posterior). El aspecto de la fuerza eléctrica que hace que las partículas con carga similar, como los protones, experimenten una fuerza repulsiva que se vuelve más fuerte con la proximidad, exige otra fuerza para mantener unido cada elemento con más de un protón.

Distancias excepcionalmente pequeñas

Necesariamente, la interacción fuerte debe superar la fuerza eléctrica repulsiva entre protones a distancias relevantes para el núcleo atómico, o aproximadamente de 10-15 m. A estas distancias excepcionalmente pequeñas (unas cien mil veces menores que el tamaño total de un átomo), la fuerza eléctrica repulsiva entre tan solo dos protones se vuelve sorprendentemente grande: ¡unas 50 libras de fuerza! Así, vemos por qué la fuerza nuclear que los mantiene unidos se llama fuerza nuclear «fuerte».

He aquí otra asombrosa consecuencia de la increíblemente poderosa naturaleza de la interacción fuerte que mantiene unidos los núcleos atómicos: la energía almacenada en el núcleo, como la energía potencial de un resorte fuertemente comprimido, suma más de lo que podríamos imaginar. Por ejemplo, en un anillo de oro típico de cinco gramos de masa, la energía total necesaria para mantener unidos todos los núcleos de oro (aproximadamente 1,5 × 1022 átomos de oro que componen el anillo) suma casi 522 000 kWh de energía, ¡suficiente para suministrar la energía eléctrica de un hogar promedio durante 49 000 años! Otra forma de verlo es que, si la fuerza fuerte se desactivara repentinamente, los núcleos de un objeto tan pequeño como un anillo de oro explotarían con una energía equivalente a la de una pequeña bomba atómica.

La interacción fuerte es aproximadamente 100 veces mayor que la fuerza de repulsión eléctrica para los protones en proximidad, como en un núcleo atómico. También es inusual el alcance extremadamente corto de la interacción fuerte. Para que se active, los nucleones (tanto protones como neutrones, sobre los que actúa por igual) necesitan casi tocarse entre sí. La existencia de todos los elementos que contribuyen a las cosas materiales, y por lo tanto a nuestras propias vidas, depende de la naturaleza de la fuerza fuerte en relación con otras fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Enteramente una fuerza nuclear

La interacción fuerte es puramente una fuerza nuclear; más allá de su papel clave en la formación de los diversos elementos de la materia, no ejerce influencia alguna en las reacciones químicas debido a su alcance exponencialmente corto. Comparado con el tamaño del núcleo, el rango exterior de las órbitas de los electrones alrededor de un átomo es aproximadamente cien mil veces mayor, lo que da también la distancia aproximada entre los núcleos de una molécula. Si el rango de la fuerza fuerte variara con la distancia, como ocurre con la gravedad y la fuerza eléctrica (debilitándose con el cuadrado de la distancia), la atracción entre los núcleos de diferentes átomos anularía las interacciones químicas y, de nuevo, la vida sería inexistente.

Para apreciar mejor la naturaleza esencial de la interacción fuerte para la vida, consideremos su papel en la producción de la energía que permite el brillo de las estrellas. En lo profundo del núcleo de una estrella como nuestro Sol, la gravedad comprime el gas, predominantemente hidrógeno, que compone las estrellas en un fluido extremadamente denso y caliente, unas 14 veces más denso que el plomo. A una temperatura de 15 millones de grados Celsius, la energía térmica de los núcleos de hidrógeno en el núcleo solar provoca colisiones en las que su proximidad permite que la interacción fuerte los capture y los una formando un núcleo más pesado de helio. (Se omiten algunos detalles para mayor brevedad).

El sol en tu cara

En este proceso ocurre algo asombroso: al unirse por la interacción fuerte, los cuatro nucleones que componen el núcleo de helio (dos protones y dos neutrones) alcanzan una masa combinada ligeramente inferior a la de los mismos cuatro nucleones al separarse. Esta pérdida de masa equivale a la energía de enlace nuclear producida por la fuerza fuerte. El resultado neto es una liberación de energía con la formación de cada núcleo de helio mediante fusión. La próxima vez que sienta el calor del sol en la cara, piense que proviene principalmente de la conversión de materia en energía, mediada por la fuerza nuclear fuerte que fusiona el hidrógeno en helio dentro del núcleo solar.

Como manifestación final de la fuerza fuerte, observemos un fenómeno astronómico no descubierto hasta hace unos 60 años: las estrellas de neutrones. Estos objetos son, en realidad, remanentes estelares, los restos de supernovas masivas de colapso del núcleo. Cerca del final del ciclo de vida de una estrella masiva, la fusión se detiene en la producción de hierro, que tiene la mayor energía de enlace por nucleón de cualquier elemento. Esto simplemente significa que la estrella no puede producir más energía fusionando nucleones adicionales en un núcleo de hierro; la estrella se ha quedado sin gas.

Se produce un colapso gravitacional de forma drástica, comprimiendo el núcleo con tanta fuerza que los electrones y protones se ven obligados a combinarse en neutrones, que, al ser neutros, pueden comprimirse enormemente en una pequeña esfera de neutrones de densidad excepcional. El resto de la vieja y masiva estrella es expulsado al espacio durante la explosión de supernova, y el núcleo queda expuesto como una bola de neutrones caliente y ultradensa.

Estas estrellas de neutrones suelen tener un radio de tan solo 10 km y, sin embargo, tienen más masa que todo nuestro Sol (con un radio de 700.000 km). ¡La densidad de una estrella de neutrones es tan grande que un terrón de azúcar tendría una masa de mil millones de toneladas métricas! Al estar compuesta de neutrones, se podría pensar en ella como un enorme núcleo en el espacio, pero con una diferencia importante: los núcleos atómicos se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte, pero las estrellas de neutrones se mantienen unidas por la gravedad.

Diseñado inteligentemente para la vida

La fuerza nuclear fuerte aún desempeña un papel importante en las estrellas de neutrones de una manera inesperada: en estas condiciones extremas, actúa como fuerza repulsiva entre los neutrones, impidiendo que la gravedad los aplaste y los convierta en un agujero negro. La naturaleza atractiva de la interacción fuerte entre dos nucleones cualesquiera los atrae hacia una distancia de equilibrio de aproximadamente 0,7 × 10-15 m (0,7 fm), (pero la misma fuerza se vuelve repulsiva si los nucleones se comprimen a menos de 0,5 fm)². Esta peculiar característica de la fuerza fuerte mantiene un tamaño mínimo de los núcleos atómicos y ayuda a evitar el colapso gravitacional completo de las estrellas de neutrones.

La fuerza del «núcleo repulsivo» de la fuerza fuerte tiene un límite, y si la gravedad se vuelve lo suficientemente fuerte como para superarlo, la estrella de neutrones colapsará y formará un agujero negro. La astrofísica teórica predice que este límite se da en estrellas de neutrones con una masa mayor que aproximadamente el doble de la masa de nuestro Sol, lo cual concuerda con las estimaciones de masa de casi todas las estrellas de neutrones descubiertas. Un cambio en la intensidad del núcleo repulsivo de la fuerza fuerte tendría efectos inmediatos en el número de agujeros negros de masa estelar en nuestra galaxia. Esta y otras consecuencias relacionadas con las propiedades de las estrellas de neutrones podrían demostrar que incluso los detalles más oscuros de la fuerza fuerte han sido diseñados inteligentemente para la vida.

Notas

  1. En el campo de la física de partículas, la interacción fuerte une principalmente a los quarks que componen los protones y neutrones (y otros bariones). La fuerza internucleónica se considera un efecto residual de la interacción fuerte. (https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-strong-force)
  2. E. R. Hedin, «A higher-dimensional model of the nucleon-nucleon central potential [Un modelo de mayor dimensión del potencial central nucleón-nucleón]», Frontiers of Physics, 9(2), 234-239 (2014), DOI 10.1007/s11467-013-0393-x.

Artículo publicado originalmente en inglés por Eric Hedin Ph.D. en Science and Culture

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