Fuerzas y masa
Una de los detalles curiosos de la Segunda Ley de Newton es que, en el fondo, cuando se enunció, no decía nada; y sin embargo podríamos decir que toda la física moderna está basada en su existencia. Es un punto de vista muy subjetivo, lo sé, pero os lo intentaré explicar a lo largo de nuestra historia de hoy que culminará con uno de los secretos de nuestra existencia.
Voy a tomar convenientemente dos definiciones de fuerza según la RAE:
Fuerza gravitatoria: magnitud física de la cual depende la atracción que cada cuerpo ejerce sobre los demás.
Fuerza inercial, o inerte: magnitud física propia de cada cuerpo, que representa la resistencia que opone a ser acelerado.
Fijaos que en la palabra cuerpo no es otra cosa que la masa; por tanto, hemos dejado la definición de fuerza en función de la masa. Veamos qué tiene que decir la RAE sobre la masa:
Masa gravitatoria: Magnitud física de la cual depende la atracción que cada cuerpo ejerce sobre los demás.
Masa inerte: Magnitud física propia de cada cuerpo, que expresa la fuerza requerida para imprimirle un movimiento determinado.
Así que definimos la fuerza en función de la masa y la masa en función de la fuerza. Estamos como al principio y aquí es donde afirmo que no dice nada: hemos relacionado dos cosas que no sabemos qué son una sin la otra. Imaginad que invento dos conceptos: A y B; definiendo A en función de B, y B en función de A. Si ahora afirmo que A es B por aceleración no hemos avanzado mucho, ¿verdad?
No obstante, aquí hay una cuestión importante: antes de esa fórmula todo era un caos; y desde que Newton la enunció, todo se vio mucho más claro. Como dijo Alexander Pope: La naturaleza y sus leyes yacían ocultas en la noche, Dios dijo, “Sea Newton” y todo fue luz (aunque refiriéndose al epitafio anterior, John Collins Squire añadió: Pero esto no fue lo último. El diablo gritó “Sea Einstein”, y se restableció la situación anterior).
Por suerte, hoy día tenemos el concepto algo más claro. Pero si sabemos que fuerza es masa por aceleración y no podemos definir ambos conceptos por separado, lo que hemos de hacer es buscar todas las fuerzas que podamos encontrar en el Universo y las partículas más pequeñas existentes de la masa. Y es aquí donde quería decir que esta fórmula era la base de la física moderna. La búsqueda de las fuerzas y las masas nos lleva a consecuencias más profundas; pues la naturaleza de las fuerzas tiene que ver mucho con la de las partículas.
Veamos, si dos masas están ejerciéndose una fuerza entre ellas con el vacío por medio, ¿cómo sabe una que la otra está ahí? ¿quién se lo dice? ¿cómo sabe la Tierra que el Sol está ahí para girar alrededor de él? ¿cómo sabe nuestro propio cuerpo que la Tierra está ahí abajo para caer sobre ella? El propio Newton ya se formulaba esta pregunta. El 25 de febrero de 1693 escribió una carta a Richard Bentley, un joven prelado que deseaba profundizar en el conocimiento de su obra:
El hecho de que un cuerpo pueda actuar a distancia sobre otro cuerpo a través del vacío, sin la mediación de algo que haga posible trasladar la acción o la fuerza del uno al otro, constituye para mí un absurdo tan grande que no concibo que lo defienda ningún hombre realmente competente en materias filosóficas.
Hoy decimos que la razón de que una masa sepa que la otra está ahí es un por un intercambio de partículas y esas partículas contienen información sobre la naturaleza de las fuerzas. En el caso de la gravedad, las partículas implicadas son los gravitones. Una masa ve a la otra porque intercambian gravitones. Hay que decir, sin embargo, que su existencia sigue siendo hipotética: los gravitones jamás han sido observados. En el caso del campo electromagnético (fuerzas entre cargas eléctricas), la partícula de intercambio, la que lleva la información de una carga a otra, es el fotón. Ambas partículas que os he citado tienen masa en reposo nula así que, en teoría, abarcarían todo el espacio: tienen alcance infinito.
Hoy día, conocemos más fuerzas. Por ejemplo, sabemos que existen fuerzas nucleares que tienen un alcance muy corto: la que llamamos hoy fuerza fuerte. La pregunta es, ¿por qué tiene el alcance tan corto? ¿cuál es, entonces, la partícula de intercambio? Intentemos buscar la respuesta. ¿Recordáis el artículo donde explicaba las partículas virtuales? Os lo resumo: eran partículas que existían mientras el principio de incertidumbre se lo permitiera. El vacío podía tomar prestada energía pero devolverla en un tiempo tan corto como para no poder hacer una medición, cosa que nos limita el mismo principio. La energía tomada tiene un límite si imponemos la cantidad tiempo y ese límite es que el producto de ambas cantidades tienen no pueden superar el valor de la mitad de la constante del Planck normalizada.
También hemos de recordar que hay una relación entre masa y energía que viene dada por la ecuación de Einstein E=mc2. Así que tenemos que esa energía prestada puede ser una partícula que exista en un pequeño intervalo de tiempo, suficientemente pequeño para no poder ser detectada. Cuanto menor sea la duración de tiempo considerada mayor será la masa de la partícula virtual. Nuestro primer problema es, por tanto, determinar la cantidad de tiempo implicado en el proceso.Volvamos a la fuerza fuerte; la que mantiene al núcleo unido. Su partícula de intercambio tendría que durar lo suficiente para ir y volver a lo largo de un protón o un neutrón (en adelante un nucleón). Si el tiempo de existencia fuera menor que ello no duraría lo suficiente para producir fuerza entre nucleones; pero si ese mismo tiempo de existencia fuera mayor dicha fuerza se sentiría en regiones externas del núcleo, cosa que nunca se ha observado. Ya podemos acotar por arriba y por abajo el tiempo o la vida de esa partícula virtual.
Supongamos que dicha partícula va a la velocidad de la luz. Tiene que hacer un viaje de ida y vuelta a lo largo de un nucleón vecino. Como sabemos sus medidas aproximadas, podemos saber el tiempo de duración del viaje que resulta en 5*10-24 segundos (0,000.000.000.000.000.000.000.005 segundos). Ahora sustituimos este tiempo en la ecuación del principio de incertidumbre y nos queda una energía de 0,0002 ergios. En otras palabras: esa es la cantidad de energía que deja disponible el principio de incertidumbre para la partícula de intercambio del campo nuclear. La citada energía puede condensarse en una partícula, en virtud de E=mc2, y haciendo números sale una masa unas 250 veces mayor que la del electrón (en realidad no toda la energía se puede transformar en la partícula: hay que dejar algo para comunicarle a la partícula esa velocidad cercana a la de la luz).
Este elegante razonamiento que os acabo de hacer no es mío (¡ojalá!) sino que lo hizo un físico japonés llamado Hideki Yukawa que publicó en 1935. Él lo hizo de forma más completa y justificó que dicha masa tenía que tener la carga del electrón o que podía también ser neutra y otros detalles que no vienen al caso.
Pero una explicación llevaba a otro problema: lo que se proponía era una “partícula virtual”, no real. No podía ser observada, el principio de incertidumbre: no nos lo permitía. Sin embargo, supongamos que comunicamos energía al núcleo, la suficiente para que la partícula no tenga que recurrir a dicho principio para su existencia y viva algo más de tiempo y así pueda ser observada. No habría violación del principio de conservación de la energía ya que la energía saldría de la que hemos dado nosotros al núcleo. Por aquella época, la única fuente posible para hacer eso eran los rayos cósmicos. En 1936 el físico norteamericano Carl David Anderson estaba observando interacciones con rayos cósmicos y vio que, en efecto, dichos rayos arrancaban en ocasiones partículas de núcleo semejantes en masa a la partícula de intercambio predicha por Yukawa. Esa masa resultó valer 207 veces la del electrón. Anderson llamó a la partícula “mesotrón”, porque en griego “meso” significa “intermedio”, aunque pronto ese nombre se abrevió a “mesón”.
Pero ¡ay!, el mesón de Anderson no tenía las propiedades esperadas por Yukawa. Tenía que presentar una fuerte interacción con los núcleos atómicos, y no lo hacía; de hecho, casi los ignoraba. Los físicos se volvieron locos. No entendían nada. Cuando le comunicaron la noticia de este descubrimiento al formidable Isidor Isaac Rabi (premio Nobel en 1944) replicó:
- ¿Quién ha encargado eso?
En 1948, un grupo de físicos ingleses dirigidos por Cecil Francis Powell estaban estudiando los rayos cósmicos en los Andes bolivianos y observaron otra partícula de masa intermedia entre el electrón y el protón. Tenía unas 270 masas electrónicas (casi un tercio más que la partícula de Anderson); y reaccionaba fuertemente con los núcleos. La nueva partícula fue llamada también mesón, y para distinguir los dos mesones, al de Anderson se le llamó “mu-mesón”, que pronto fue abreviado a “muón”; mientras que al de Powell se le llamó “pi-mesón”, que pronto fue abreviado a “pion”. El pion sí que era la partícula que había predicho Yukawa.
Yukawa se llevó el Nobel de física en 1949 y Powel en 1950. Anderson ya se lo había llevado en 1936 por el descubrimiento del positrón.
Recapitulemos: el principio de incertidumbre permite la existencia del pion, que hace posible el desarrollo de una fuerza nuclear atractiva entre nucleones vecinos (más de cien veces más intensa que la repulsión electromagnética entre ellos), que hace posible que exista materia distinta del hidrógeno y, a su vez, la existencia de la materia y de nosotros mismos.
Así que ya podemos dar las gracias al principio de incertidumbre y al humilde pion.
Fuentes:
“El electrón es zurdo”, Isaac Asimov
“El genio incomprendido”, Federico di Trocchio
http://www.ciencianet.com/epitafios.html
El día 16 de Agosto de 2007 a las 11:07
Relmente me impresiona que leyendo tus historias y tus explicaciones sea capaz de captar conceptos prohibitivos hasta ahora para mí, no digo que no tenga que releerme el artículo un par de veces más para llegar a comprenderlo, pero sí te aseguro que entiendo más de lo que jamás había entendido de física desde que te leo, y lo mejor, me gusta más que nunca.
Gracias y enhorabuena.
El día 16 de Agosto de 2007 a las 11:46
Muy interesante
Gracias por compartirlo y, sobre todo, por hacerlo accesible (que esto último tiene un mérito tremendo :-)).
Un saludo,
Paquito.
http://paquito4ever.blogspot.com
El día 16 de Agosto de 2007 a las 16:34
Fuerzas y masa…
[c&p] Una de los detalles curiosos de la Segunda Ley de Newton es que, en el fondo, cuando se enunció, no decía nada; y sin embargo podríamos decir que toda la física moderna está basada en su existencia. Es un punto de vista muy subjetivo, lo…
El día 16 de Agosto de 2007 a las 21:07
Gracias por tu Blog.
Recurrir a la R.A.E para conceptos científicos sólo provoca conflictos; los conceptos de fuerza y masa ¡los explicamos a alumnos de ESO!. Para salir del circulo vicioso que señalas, nos valemos del truco de definir fuerza como toda acción capaz de acelerar un cuerpo y/o deformarlo; medimos fuerzas a partir de deformaciones y así la 2ª ley ya cobra sentido: Al empujar (o estirar) un cuerpo, ejercemos una fuerza sobre él (que podemos medir) y éste acelera según su masa inercial (que entonces no es más que el cociente entre F y a). La masa inercial resulta así una propiedad intrínseca de los cuerpos: “lo que cuesta acelerarlos”. La fuerza es una acción y la masa una característica de cada cuerpo.
Felicidades por tu Blog.
El día 17 de Agosto de 2007 a las 00:15
Charly: te aseguro que entiendo más de lo que jamás había entendido de física desde que te leo, y lo mejor, me gusta más que nunca.
Decir que “[la física] te gusta más que nunca” por ello es uno de los mejores elogios que puedes hacerme. Muchas gracias.
Paquito: el mérito no es mío; fue de Yukawa
ese sí tuvo un mérito tremendo. Este hombre, además, fue el que justificó por qué los neutrones lentos eran más peligrosos que los rápidos para inducir reacciones nucleares … un crack.
gostinet: gracias a ti. Es cierto lo que dices; yo me refería al momento en que se enunció la ecuación. Una inocente ecuación fue la base de la física moderna.
Salud!
El día 17 de Agosto de 2007 a las 22:11
Llevo un tiempo leyendo el blog y nunca se habían apoderado de mí, como hoy, las ganas de comentar. En fin, siempre hay una primera vez. Antes que nada, me sumo a darte las gracias. La verdad es que ha habido momentos en que me preguntaba qué narices (coño) hacía yo estudiando física, y leerte me recordaba que me apasiona.
Bueno, la cosa ha sido así: mientras comenzaba a leer la “historia de hoy” me ha venido a la cabeza una de las primeras clases de la carrera. “Señores, hoy vamos a hablar de las Leyes de Newton” Y la conclusión de aquella clase (conclusión de la que estoy segura no llegué aquel día) fue que la segunda ley es todo y nada a la vez. Empezaron preguntándonos la definición de masa (¡oh! ¡la pescadilla que se muerde la cola!) y terminaron dándonos todas las conclusiones y corolarios del mundo. Y descubrí que es ahí donde entra la tercera ley.
Y como dicen muchos de los que saben de esto:
“No sé qué es, ni me importa. No puedo definirla, pero sé que puedo medirla.”
El día 19 de Agosto de 2007 a las 10:22
Muchas gracias, Ayla.
Disfruta mientras la estés estudiando … que luego lo echarás de menos
Salud!
El día 19 de Agosto de 2007 a las 19:49
Si consideramos la gravedad como una deformación del espacio-3D, el gravitón no tendría por qué existir. ¿O sí? ¿Son teorías compatibles? Por último, ¿por cuál se decanta la física hoy en día?
Hoy estoy preguntón
Saludos,
Ferre
El día 19 de Agosto de 2007 a las 20:23
Es compatible: ¿cómo das la información de la deformación del espacio 3D a la masa que se acerca? ¿Como ve dicha deformación?
Salud!
El día 22 de Agosto de 2007 a las 00:18
¿Y cómo le cuenta todo la partícula portadora de la información a la partícula con la que va a interaccionar? ¿le da energía, le da un folio con info?¿y cómo se produce esa interacción, chocando? Y si viaja a la velocidad de la luz, si el Sol desapareciera, ¿tardaría la Tierra 8 minutos en enterarse? Ilumíname…
El día 22 de Agosto de 2007 a las 00:42
¡Ay!. Miski: has puesto el dedo en la llaga. Esas son las preguntas que me gustan. Como decía Remo, hacer ciencia no es encontrar respuestas, sino hacerse las preguntas correctas.
El cómo las partículas portadoras llevan y traen la información es una cosa que nadie sabe. Sí se sabe que determinadas partículas se relacionan con determindas fuerzas; pero el cómo excactamente no.
La última pregunta sí te la puedo contestar: si el Sol desapareciera, tanto su luz como su gravedad tardarían 8 minutos en llegar; así que nos enteraríamos 8 minutos después de la catástrofe
Salud!
El día 22 de Agosto de 2007 a las 11:37
Me encanta adentrarme en el “difícil y complicado” mundo de la física de la mano de un magnífico blog como este! Al margen de ecuaciones incomprensibles y las demostraciones ininteligibles para los profanos, está el saber explicar con claridad los conceptos, y esto lo sabes hacer muy bien Omalaled. Y son los conceptos y sus aplicaciones lo que hacen la física una materia tan hermosa para los que desconocemos el mundo matemático que sustenta la física.
¡Vivan los Piones!
PD: Jamás pensé que tras leer una historia me cambiaría el concepto, tan arraigado en España, de “mesón”. Mis comidas en restaurantes de carretera no volverán a ser iguales, y mis acompañantes me mirarán de forma rara cuando comience a hablar sobre energías, incertidumbres, tiempo y partículas
El día 23 de Agosto de 2007 a las 11:42
Gracias Omalaled por las respuestas…pero me he quedado en estado de shock…pensaba que se tenían más conocimiento sobre las partículas portadoras de las fuerzas y su forma de actuar…además me asalta otra pregunta…¿cada cuánto se acualiza la información…o sea, cada cuánto avisa una partícula de que está ejerciendo sus efectos en el espacio que la rodea?…y ¿cada partícula de masa que compone la Tierra emite un gravitón, o es uno sólo con la info de todas ellas?
El día 23 de Agosto de 2007 a las 11:58
Pues sí. Conocemos realmente poco. Sobre las partículas portadoras se conoce algo; y ese algo es muy sutil (su carga, masa, números cuánticos y para de contar); lo que sí se sabe, o al menos, de lo que más se sabe, es cómo interaccionan.
Por ejemplo, los gravitones. Cualquier masa “emite” (a ver, no emite energía, son partículas virtuales) gravitones. Cuanta más masa haya, más gravitones, cuantos más gravitones, más fuerza. Esto conecta muy bien con que la fuerza gravitatoria (y eléctrica) decrezcan con el cuadrado de la distancia ya que al emitir en todas direcciones del espacio forman una esfera y la superficie de la esfera aumenta con el cuadrado del radio. Al haber más superficie, la masa que reciba los gravitones verá menos en función del cuadrado de la distancia.
Es, por así decirlo, no sólo la información, sino la intensidad de la información.
Respecto a la fuerza fuerte, se sabe sobre los gluones (así se llaman las partículas responsables de dicha fuerza); pero hay preguntas que todavía no están respondidas. ¿Por qué hay núcleos más estables que otros? y un largo etceétera de preguntas …
¿Alguien se anima a estudiar física nuclear y buscar la respuesta?
Salud!
El día 23 de Agosto de 2007 a las 21:19
Gracias
El día 24 de Agosto de 2007 a las 04:42
Omalaled, yo me animo, que para algo estoy estudiando Física, jajaja. Eso sí, con calma, que aún estoy en pañales, como quien dice.
Ya que estoy aprovecho para felicitarte por el blog. Con cada historia consigues que me reafirme en mi elección por la Física (qué pesada es la gente, no se cansan de decir que no voy a tener trabajo >_
El día 24 de Agosto de 2007 a las 05:46
Vaya, se cortó el comentario. Decía que:
Ya que estoy aprovecho para felicitarte por el blog. Con cada historia consigues que me reafirme en mi elección por la Física (qué pesada es la gente, no se cansan de decir que no voy a tener trabajo…), y, lo que es más importante, que espere con ansia lo que está por llegar en la carrera.
¡Un saludo!
El día 24 de Agosto de 2007 a las 10:05
Raku:
y, lo que es más importante, que espere con ansia lo que está por llegar en la carrera
Es, sin ningún género de dudas, el mejor elogio que podías hacerme. Gracias, muchas gracias.
El día 24 de Agosto de 2007 a las 11:54
Buenas, mi pregunta es:
¿por qué van a tener que informarse entre sí?¿no basta con sentir sus efectos? Que yo sepa, la naranja en el centro del cojín atrae a la aceituna lanzada pseudotangencialmente más que por su masa o su fuerza atractiva por la deformación que produce en el medio por el que se mueve esta última! Y en este caso hablamos de hundir la malla pseudo2-D (un plano)… por lo que el ejemplo se nos queda corto para el ámbito real. En éste, ¿realmente atrae la masa? ¿de verdad? ¿confundimos capacidad magnética con atracción por masa? Si no nos friera los pies y pudiéramos posarlos en ella, la superficie del Sol no nos sujetaría, ¿verdad? jeeeelp, ai niiid sambaadii..jeeelp…
El día 24 de Agosto de 2007 a las 12:40
Sí, pero hay que explicar cómo se transmite la información de la deformación de esa malla. ¿Quién dice cómo y en qué medida está deformada?
Lo que no acabo de entender es “capacidad magnética”.
Si no nos friera los pies el Sol nos destrozaría por esa zona; pues nos atrería mucho más que la Tierra. Pero es más bien de tipo gaseoso, así que te sumiría en sus profundidades …
El día 24 de Agosto de 2007 a las 13:45
Pero, ¿porqué tiene que transmitirse esa información? Si la parte oscura de esa virtual malla 3D se compone de moléculas de gas, pocas y muy separadas, pero moléculas al fin y al cabo, ¿no son ellas las que informan caso de que debieran? Posiblemente se lo comentaron a los neutrinos pero estos dijeron: “pasamos total”, y así está la cosa.
Con capacidad magnética me refiero a la magnitud del campo magnético. ¿Exactamente por qué nos sumiría en sus profundidades el sol, por la fuerza gravitatoria? ¿Y si no hubiera presión en su interior, sólo fuera gas (respirable) y fuerza gravitatoria, una vez en su núcleo podríamos subsistir :D?
El día 24 de Agosto de 2007 a las 14:02
Es una contestación más filosófica que no física. Para que algo sepa que debe comportarse en función de otra cosa, tiene que haber algún tipo de intercambio de información entre ese algo y la otra cosa. Si no interaccionan no hay cambio de información (y viceversa)
Y sí, el Sol nos sumiría por la fuerza gravitatoria. Es enorme. Dentro del Sol hay mucha presión; muchísima. Para formarse el Sol, las moléculas se apelotonaron hacia dentro y como estaban tan cerca unas de las otras chocaban mucho más y desprenden mucho más calor (igula que cuando hinchas la rueda de una bicicleta, que se calienta la mancha … a veces hasta quema.
Y la compresión hizo que aumentara la temperatura hasta los 10 millones de grados … y ¡zas! empezó la fusión nuclear. El Sol intenta comprimirse, pero la fusión lo intenta expander. Ese equilibrio hace que nosotros estemos aquí.
No, no podríamos subsistir ni a las temperaturas ni a las presiones.
La fuerza gravitatoria es máxima en su superficie (al igual que en la Tierra). No sé cuánto pesaríamos en esa zona … mucho
El campo magnético es otro cantar.
No sé si te contesto.
Salud!
El día 24 de Agosto de 2007 a las 14:21
Sobre la parte filosófica, tengo mis discrepancias pero sin duda se deben a que no llegué en su día a tiempo al reparto de cerebros de 1ª y me tocó este que llevo dentro.
Sobre el Sol, yo me refería a no poder escapar de la fuerza gravitatoria (quedarnos en su interior profundo, donde ésta vale 0), y obviar temperatura y presión. Si pudiéramos vivir en un entorno de helio e hidrógeno, no habría demasiadas consecuencias, salvo no podernos mover…
(Gracias por las respuestas!!!!!)
El día 24 de Agosto de 2007 a las 14:29
Anda, ¿y repartieron esos cerebros? ¡cachis! ¿qué debía estar haciendo yo?
No hay de qué.
Salud!
El día 17 de Septiembre de 2007 a las 17:07
He estado leyendo tu artículo sobre Fuerzas y Masa.
Creo que deberías enviárselo a uno de esos científicos de la RAE como Jose Manuel Sánchez-Ron o Margarita Salas ambos trabajan en la UAM y seguramente darán buena cuenta del tema y probablemente consigas que se cambie la definición en el diccionario RAE. Especialmente el primero, puesto que es físico e historiador de la ciencia.
Un saludo y enorawena por el blog
El día 17 de Septiembre de 2007 a las 18:03
Muchas gracias.
Ojalá pudiera conocer personalmente a esas personas. Soy un admirador incindicional de ambos. Pero no creo que me hicieran demasiado caso: piensa que soy un completo desconocido.
Salud!
El día 9 de Octubre de 2007 a las 02:29
siempre me ha apasionado la física, de hecho estuve apunto de hacer la carrera de física, aunque finalmente me decanté hacia la ciencia biológica. Lo que postulas es tremendamente dificil para mi puesto que mis conocimientos de física son muy escasos. Sin embargo consigues explicarlo de manera clara y concisa para que un “novato” como yo acabe por hacerse una idea de la complejidad de lo que pretendes detallar. Sin duda, apasionante..solo lamento no saber mas para comentar adecuadamente tus post