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Todos los componentes del universo, desde lo mínimo (los átomos y sus componentes) hasta lo máximo (la estrellas y las galaxias), son lo que son y se mantienen en su

movimiento orbital por el influjo de tres fuerzas: la gravitatoria o de la gravedad, la electromagnética y la nuclear.

Hasta su apellido «fuerte» indica que la más potente de estas fuerzas es la nuclear fuerte: es cien veces más fuerte que la electromagnética; una cien mil veces más fuerte que la nuclear débil. La más débil de todas no es la calificada así, sino la gravitatoria, que es un millón de billones de billones de billones (1042, o sea, la unidad seguida de 42 ceros) más débil o menos fuerte que la electromagnética. Entonces, ¿por qué la fuerza

electromagnética no destroza la gravedad y produce un desbarajuste total en el universo? Porque todas las cosas constan de un número igual de cargas eléctricas positivas y

negativas que se neutralizan. En el núcleo de los átomos los protones se rechazan mutuamente por tener la misma carga eléctrica positiva. Si existen átomos y

consecuentemente las cosas y el universo, se debe a la fuerza mucho más potente de la fuerza nuclear fuerte que actúa sobre los quarks constitutivos de los nucleones y los obliga a permanecer apiñados en el núcleo atómico. ¿Por qué vemos los efectos de la gravedad y de la fuerza electromagnética, no los de la nuclear fuerte a pesar de ser la más potente de todas? Porque esta actúa solo a distancias sumamente cortas, la equivalente a 10–18 cm, o sea, una cienmilésima del tamaño del átomo, es decir, una billonésima de milímetro. La fuerza nuclear fuerte afecta a los nucleones o integrantes del núcleo atómico (los quarks), no a los electrones. Por esa razón, estos no forman parte del núcleo de los átomos, aunque se mueven alrededor del mismo.

9.1. La fuerza gravitatoria o de la gravedad

Es la más universal, pues afecta a todas las partículas y cosas existentes; también es la más conocida a la vez que la menos intensa de las tres. Desde niños hemos

experimentado que, al lanzar una piedra hacia arriba, el impulso inicial la hace ascender, pero al poco tiempo su trayectoria se dobla y cae en la tierra tras describir una parábola. Todos hemos experimentado que los frutos de los árboles caen siempre hacia abajo, hacia la tierra, jamás en otra dirección a no ser que otra fuerza, la del viento, la desvíe algo en su caída. En una de las preguntas de su Optics (1704), Newton traza el siguiente interrogante: «¿Qué impide que las estrellas fijas caigan unas sobre otras?». La gravedad

mantiene las estrellas dentro de su galaxia, a las galaxias, estrellas, planetas y satélites en su órbita; atrae las estrellas hacia los agujeros negros, etc. Gracias a la fuerza de la gravedad podemos mantenernos de pie, con los pies fijos sobre el suelo. Sin ella

flotaríamos sin peso en el espacio; los huesos de nuestras piernas, hechos para sostener peso, se descalcificarían y tendríamos la sensación de que eran no óseos, sino

cartilaginosos e incluso algodonosos como les ocurre a los escayolados durante bastantes meses y sobre todo a los astronautas. Gracias a ella podemos respirar, pues, sin ella, el aire se alejaría hacia los espacios interestelares.

La fuerza o atracción gravitatoria entre dos cuerpos o cosas los pone en movimiento y, una vez movidos, modifica su movimiento a un ritmo proporcional directamente a la fuerza misma e inversamente al producto de sus masas y al cuadrado de la distancia. La masa ha sido entendida como la medida de la inercia de un cuerpo, o sea, su oposición a cambiar de estado (en reposo o en movimiento). Es la formulación muy resumida de tres principios de Newton, publicados en su Principia mathematica en el año 1687. Todos hemos comprobado que es difícil tanto mover un cuerpo de gran masa como detenerlo una vez puesto en movimiento. A modo de ejemplo, piénsese en la aceleración de la velocidad de un automóvil, proporcional a la potencia del motor e inversa a la masa. Si el tamaño de la Luna fuera mayor que el de la Tierra, esta gravitaría alrededor de la Luna y no al revés.

La fuerza gravitatoria depende de la masa de los objetos y de su distancia, como se creía tradicionalmente. Pero depende también de la energía, por ejemplo, de la temperatura (mayor o menor calor) y de cualquier presión que pueda ejercerse. Son dos interferencias descubiertas por Einstein que Newton desconocía. La energía de los átomos varía en la medida en que un objeto esté más o menos caliente y, por tanto, con la temperatura también aumenta el peso de ese objeto. Si el calor de un objeto de un kilo de peso aumenta en 10 ºC (Celsio), su peso o gravedad aumenta una milbillonésima de

kilogramo. Tradicionalmente se concebía la gravedad como una fuerza atractiva o capaz de atraer. La presión llamada «positiva» es la dirigida hacia fuera. Piénsese en la presión de un muelle que nos dará en la cara si retiramos de repente el dedo que lo comprime. «Negativa» es la presión que impulsa o aspira hacia dentro, no hacia fuera como la positiva, algo que tampoco conocía Newton. Pues bien, desde la relatividad general de Einstein está demostrado que si la fuerza de la presión positiva es atractiva, la de la negativa es repulsiva. Luego esta, en vez de tender a atraer o juntar las cosas, detendrá su acercamiento e incluso las alejará. Con otras palabras, la gravedad de presión positiva y la de la negativa se compensarán o anularán. La gravedad de la materia y la energía o radiación ordinarias, visibles o al menos directamente detectables es atractiva; la de la materia y de la energía oscura, repulsiva.

Al margen de su peso, todas las cosas (madera, hierro, papel) tardan el mismo tiempo en caer al suelo si se lanzan a voleo desde la misma altura. Lo comprobó el astronauta David R. Scott en la Luna, donde no hay aire, atmósfera, capaz de frenar de modo

diferente la caída de la pluma de ave y del trozo de plomo, lanzados por él. Si se pone un reloj en la cima de una montaña muy elevada y otro exactamente igual al nivel del mar, este se moverá más lentamente por influjo de la mayor gravedad. Luego, si dos gemelos viven separados casi toda su vida en los dos niveles señalados y se encontraran al cabo de muchos años, el residente en la cima de la montaña sería más joven en cuanto al tiempo cronológico, ¿también respecto al fisiológico u orgánico? Dado el poco desnivel de los puntos indicados en la Tierra, la diferencia sería insignificante.

Newton tuvo el acierto de extender la gravedad a todo el universo. Estaba pensando cuando vio caer una manzana. Poco después descubrió la ley de la gravedad y su vigencia tanto en la tierra como en el firmamento. Antes de él no se había caído en la cuenta de que la fuerza que hace caer la fruta de los árboles a la tierra es la misma que provoca la gravitación de los satélites en torno a los planetas y de estos alrededor del Sol. Pero Newton no valoró el factor tiempo. Según su ley de gravedad, si el Sol explosiona de modo súbito y se fragmenta quedando anulada su atracción gravitatoria, los planetas solares saldrían instantáneamente de sus órbitas habituales, condenados a vagar por el espacio cósmico, tal vez a gravitar en torno a otra estrella, si antes no se desintegran. Pero el Sol dista de la Tierra unos 150 millones de kilómetros. Una vez desaparecido el Sol, los fotones y los gravitones, transportadores de la fuerza electromagnética y de la gravedad seguirían llegando a la Tierra y teniéndola «atada» al Sol ya inexistente durante unos ocho minutos, el que invierte la luz en su recorrido entre el Sol y la Tierra. Júpiter, Saturno y Urano tardarían 41, 74 y 154 (más de dos horas y media) minutos en padecer esos mismos efectos, pues distan 140,778 y 2900 millones de kilómetros respectivamente del Sol. Einstein tuvo en cuenta el espacio-tiempo, rectificó esta y otras inexactitudes de la teoría newtoniana; abrió horizontes insospechados hasta entonces con sus teorías de la relatividad especial (año 1905) y general (1915). La fuerza gravitatoria se transmite a la velocidad de la luz. Luego, carece de masa.

La gravedad causa también una dilatación o retraso temporal. Los relojes se retrasan cuando se hallan cerca de un cuerpo de gran masa, por ejemplo, las emisiones de satélites artificiales a la Tierra. Lo tiene en cuenta el sistema GPS (Global Positioning Satellite), ahora de uso casi normal en cualquier clase de automóvil. El GPS tiene también en cuenta los efectos del movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Asimismo hay que valorar que a mayor velocidad, los relojes van más lentos. Por eso, si alguien viajara casi a la velocidad de la luz a un planeta distante cien o más años luz, al regresar a la Tierra sería más joven que al partir a pesar de haber transcurrido 200 años o más. De ahí que el GPS sea tan sumamente exacto.

El centro de gravedad es un punto alrededor del cual giran los cuerpos que se mueven. Se halla más cerca del cuerpo mayor en proporción directa a su masa. Propiamente la Luna no se mueve en torno a la Tierra, sino que ambas, Tierra y Luna, giran alrededor de un centro de gravedad común que está mucho más cerca de la Tierra que de la Luna. Lo mismo puede decirse del Sol y del sistema solar, así como de las estrellas binarias o

dobles.

La teoría de la relatividad general de Einstein se apoya en una observación llamativa. La fuerza de la gravedad no es una fuerza como las demás, sino efecto de que el espacio- tiempo es curvo, no del todo plano, en cuanto está curvado junto a los cuerpos celestes, lo mismo que si se echa una bola pesada sobre un colchón, este se curva en torno a la bola. La Tierra, por ejemplo, no se movería en órbitas curvadas por influjo de la fuerza de la gravedad, sino porque sigue la línea geodésica, o sea, el camino más corto entre dos puntos en un espacio curvado.

9.2. La fuerza electromagnética

El hombre conoció muy pronto la fuerza electromagnética en la vida ordinaria (fuego, incendios); desde siempre en la aparatosidad de las tormentas (relámpagos, rayos, fuego de San Telmo, etc.). Pero ha sido estudiada más tarde que la gravitatoria y puesta al servicio del hombre, de su salud y bienestar (iluminación, rayos X, radio, televisión, cine, fotografía, ordenadores, teléfono, refrigeradores). James Clerk Maxwell (en torno a 1880) formuló la unificación de la fuerza eléctrica y de la magnética. De ahí su nombre actual: electromagnética.

La fuerza electromagnética interactúa en las partículas dotadas de carga eléctrica positiva o negativa, no en los neutrinos pues carecen de carga. Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen; las de signo contrario (positiva/negativa) se atraen. Por eso los

electrones de carga eléctrica negativa, ubicados en la periferia, giran en torno de los protones de carga positiva, situados en el núcleo del átomo, como la Tierra alrededor del Sol por la fuerza gravitatoria. Cuando un electrón cambia de órbita, o sea, pasa de una a otra más cercana al núcleo, se libera energía en forma de fotones, o sea, de «luz» visible tanto por el ojo humano —si su longitud de onda es la adecuada— como por un detector de fotones (una película fotográfica, etc.). Los fotones son los causantes de la atracción electromagnética. La fuerza electromagnética es tal y tan veloz que la velocidad de la luz o de sus rayos es siempre la misma, a saber, 299.729 km/s, 300.000 en números

redondos; unos 1.080 millones en una hora, 9.401 billones de kilómetros en un año. Esta es la velocidad no solo de los fotones, sino también de todas las partículas «carentes» de masa (neutrinos, gravitones). En los espacios libres, la luz viaja sin detenerse ni aumentar ni disminuir su velocidad.

9.3. La fuerza nuclear fuerte y débil

La fuerza nuclear en su doble modalidad actúa de modo directo solamente en el ámbito subatómico. Pero, como lo microscópico o atómico compone también los planetas, las estrellas y las galaxias, la vigencia de la doble fuerza nuclear fuerte y débil se extiende a todo el universo sin excepción. Por estar recluidas dentro de los átomos, su presencia y su actuación no se hallan al alcance de los sentidos humanos. De ahí que hayan sido descubiertas mucho más tarde que la fuerza de la gravedad y que la electromagnética.

Es sabido que la atracción de la gravedad entre dos cuerpos dotados de masa como la atracción electromagnética entre dos partículas de carga opuesta aumenta en la medida en que disminuye su distancia. En la fuerza nuclear tanto fuerte como débil ocurre al revés. Son más débiles en la medida en que se encuentran más cerca. Al parecer influye la especie de movediza «neblina» microscópica que oscurece el entorno de las partículas y antipartículas de la periferia (electrones) y del núcleo de los átomos. Cuando nos acercamos a un faro en un día de niebla, su luminosidad variará de acuerdo con las rachas más o menos intensas de niebla. Aunque su luminosidad es siempre la misma, de ordinario nos parecerá que es mayor cuanto más cerca estemos del faro y de su

proyección luminosa circulante.

La fuerza nuclear, con una masa unas trescientas veces la del electrón, mantiene a los quarks dentro de los protones y de los neutrones, así como a estos apiñados en el núcleo de los átomos. Sin ella no se habría formado el universo tal como lo vemos. Si esta fuerza se extinguiera, el universo desaparecería, quedaría pulverizado, desintegrado. La fuerza nuclear débil causa la radiactividad con todas sus consecuencias desintegradoras. Actúa sobre electrones, neutrinos y quarks. Weinberg obtuvo el premio Nobel (año 1979) junto con Glasgow y Salam, por su contribución al desarrollo de las matemáticas que permitieron elaborar la unificación de la fuerza electromagnética y de la nuclear débil —o sea, dos manifestaciones de la misma fuerza, la llamada «electrodébil»— y su

confirmación experimental.

9.4. Las partículas transmisoras o transportadoras de estas fuerzas

El jinete hace girar al caballo a su alrededor describiendo una circunferencia. Esta queda incluso marcada en el suelo por las reiteradas pisadas del caballo que se mueve siempre a la misma distancia del jinete. La explicación es sencilla. Lo mantiene sujeto mediante la cuerda de la cabezada. La Tierra atrae a la Luna y hace que gravite a su alrededor. Pero ¿cómo lo realiza? Ciertamente las tres fuerzas consignadas eran invisibles a no ser por sus efectos. Pero una sentencia escolástica afirmaba: actio in distans repugnat, «repugna (no se da) la acción a distancia». Hasta hace poco se creía que se daba «la acción a distancia»; desde Newton en cuanto a la gravedad. Se creía que la atracción de la Tierra por el Sol era una propiedad de este sin que tuviera influjo alguno el campo intermedio ni partícula alguna portadora de la gravedad. En cambio, ahora ya son visibles, menos el gravitón. Puede verse cómo estas fuerzas interactúan por medio de sus respectivas partículas.

A cada fuerza corresponde una partícula, que es la que la constituye y transporta o transmite su fuerza específica. Cuando uno padece un desgarro en la retina del ojo, se la cosen mediante los fotones, especie de fogonazos deslumbrantes, disparados por medio de un aparato de rayos láser. Precisamente es la partícula portadora de la fuerza

electromagnética. El gluon (del ingl. glue, pegamento) es eléctricamente neutro y

gauge («calibrador») —«bosón» deriva del apellido del físico indio Satyendra Bose—. Las masas de las partículas (bosones W y Z) transportadoras de la fuerza nuclear débil tienen respectivamente 86 y 97 veces la masa del protón. Los físicos suponen que la fuerza de gravedad es transmitida mediante el gravitón. Estas partículas tienen masa cero, o sea, carecen de ella, menos la de la nuclear débil. Esta masa grande, si se la compara con la nula masa de las otras tres partículas, explica que la intensidad de la fuerza nuclear débil ocupe el segundo puesto, inmediatamente tras la fuerte. Pero es así de ordinario solo en teoría. De hecho la lentitud de los bosones gauge en el transporte de su acción e influjo por culpa de su mayor masa la hace bajar al tercer puesto. Es

adelantada por la fuerza electromagnética.50 Si los electrones, los quarks y los neutrinos son como las piedras o ladrillos en la construcción del edificio del universo, las partículas transportadoras de las fuerzas son su argamasa o el cemento que los une.