La física del contacto !

Admirador de la física, incluyendo a su más joven rama, la denominada “física cuántica”, es que a menudo me pregunto, en qué consiste que dos cosas (una pelota con el suelo, la rueda de un auto con el pavimento) se toquen. Cuando nos damos un abrazo, realmente se trata de algo que realmente sucede o es una aproximación lo más cercana posible que nuestros sentidos alcanzan a percibir como un contacto. Hasta que punto dos elementos se atraen o se repelen, en el momento de la proximidad que denominamos contacto.

Cuando comenzamos a estudiar la estructura de los átomos ves que la capa más externa de TODOS es una nube de electrones cargados negativamente. Si ahora intentas mirar a tu alrededor intentando imaginar esos átomos en todo lo que ves, podrías llegar a una pregunta muy lícita:

Si las cargas del mismo signo se repelen, y la parte más externa de todos los átomos tiene la misma carga (negativa), ¿se repelen los átomos entre sí? ¿Significa eso que nunca llegan a tocarse?

O en otras palabras más dramáticas…

¿NUNCA HEMOS TOCADO NADA?

Una fuerza es una interacción en dos cuerpos cuyo resultado es la modificación del estado de reposo o movimiento uniforme de estos (aunque no coincida esto con Aristóteles).

Dicho en palabras llanas, llamamos fuerza al agente que aplicado sobre un objeto lo acelera (y acelerar implica tanto ganar velocidad como perderla y también cambiar la dirección de esta).

Por ejemplo, hace falta una fuerza para mover el carrito de la compra (venciendo el rozamiento del suelo), para empujar un coche que se ha quedado sin batería o para tomar una curva con la moto (en este último caso, el rozamiento con el suelo te ayuda a no seguir en línea recta con una fuerza centrípeta).

Todos estos ejemplos tienen algo en común: la fuerza se produce como resultado del contacto entre dos cuerpos. Por eso se les llama fuerzas de contacto.

Por contra, cuándo una manzana cae al suelo desde el árbol, la Luna orbita a la Tierra, o dos imanes se repelen, no es necesario el contacto entre dichos cuerpos para que la fuerza aparezca. Hablamos, pues, de fuerzas a distancia.

Si volvemos al párrafo de inicio: si realmente la materia está hecha de átomos, y la interacción entre átomos ha de ser eléctrica (fuerza a distancia), ¿realmente existen las fuerzas de contacto?

Lo que realmente ocurre cuando empujamos algo, es que los electrones de los átomos más externos repelen a los electrones de los átomos más externos de ese algo. Esta repulsión los acerca a la siguiente capa de átomos, que se sienten repelidos a su vez, etc. Finalmente, ese algo se siente empujado como un todo ya que sus átomos están ligados entre sí, pero a escala atómica… ningún átomo ha contactado con ningún otro. Las fuerzas de contacto no existen, todas las fuerzas de contacto son fuerzas eléctricas vistas desde una perspectiva macroscópica.

Podríamos decir: bueno, si hago mucha fuerza, conseguiré que haya contacto entre átomos, de igual manera que consigo que dos polos iguales de dos imanes se toquen si aprieto lo suficiente.

La cosa es que la ley que gobierna la fuerza con la que se repelen (o atraen) las cargas es la ley de Coulomb:

Y como podemos comprobar, si la distancia entre las cargas r tiende a cero la fuerza F tiende a infinito.

Lo que quiere decir es que lo que llamamos “tocar” es, en primera aproximación, que tus electrones más externos repelan a los electrones más externos del otro objeto.

Si los electrones simplemente se repelieran, no podríamos sostener cosas. Piensa en un objeto en un plano inclinado: los electrones del plano repelen a los del objeto y viceversa y entonces el objeto caería por gravedad.

Pero gracias a la materia (que es más hueca que llena) es que existe la fricción.

Un primer acercamiento a la fuerza de fricción entre dos superficies sería apelar a las numerosas irregularidades que se manifiestan a escala microscópica.

Pero realmente la fuerza de fricción es mucho más complicada y no se debe (únicamente) a estas irregularidades. Cuando la distancia entre átomos es muy pequeña se repelen, pero resulta que a distancias mayores se pueden atraer (por ejemplo, por fuerzas Van der Waals, entre otras). Esto es lo que explica que los átomos puedan mantenerse juntos entre sí (pese a que no se toquen), y que cuando dos superficies deslicen una sobre otra aparezca una fricción debido al ingente número de atracciones entre átomos que surgen para luego desaparecer, pero efectuar a nivel macroscópico una fuerza que llamamos fricción.

La idea simple, que surge de combinar la estructura de la materia con lo que sabemos de las fuerzas eléctricas, es que no existe el contacto tal y como lo imaginamos.

El problema es que la estructura de la materia a nivel atómico no es tan sencilla como la hemos presentado (o como se suele presentar cuando se discute esta idea).

Ya hemos visto en el blog que los electrones, y en general todas las partículas, no son bolitas de radio y bordes definidos. Se pueden entender más bien como nubes (de probabilidad) dispersas por el espacio, con regiones donde es más probable encontrarlas y regiones donde menos (aunque se manifiesten como partículas cuando los detectamos).

Cuando dos átomos se enlazan, las nubes de probabilidad de las partículas implicadas se llegan a solapar, y por tanto, en cierto sentido, ocupan regiones del espacio comunes (sin que esto signifique que se “toquen”).

Pero es que aun podemos ir más allá, ya que la física moderna nos ha dado una nueva visión de cómo son las interacciones a nivel fundamental.

Cuando dos partículas interactúan, lo que realmente está ocurriendo es que intercambian partículas mensajeras de la interacción en cuestión. Por ejemplo, cuando dos electrones interactúan repeliéndose lo hacen mediante el intercambio de un fotón. Realmente lo hacen de muchas más maneras, siendo la descripta la más importante, es decir, la que más contribuye a la probabilidad de que dos partículas se enlacen.

Pareciera que aquí sí que está teniendo lugar un contacto, pero hay que recordar que estos famosos diagramas de enlace no representan realmente los procesos, son formas de transcribir ecuaciones a diagramas y viceversa para facilitar el cálculo.

Más aún, cuando transcribimos a ecuaciones el proceso de enlace, debemos tener en cuenta la posibilidad de que la emisión de la partícula mensajera haya sido con cualquier velocidad (momento realmente). Y encima, las partículas que conectan dos vértices en estos diagramas no tienen “realidad física” al mismo nivel que el resto: se les llama partículas virtuales por ser indetectables ya que no cumplen la relación de Einstein entre masa, momento y energía.

En resumidas cuentas, nunca hemos tocado nada, pero también podemos decir que realmente lo hemos tocado todo. Simplemente tocar, a nivel fundamental, consiste en la interacción por intercambio de partículas mensajeras entre nuestras partículas y las del objeto tocado. No existe otro tipo de interacción, todas las fuerzas son “a distancia” (entendiendo que son mediadas por partículas mensajeras).

Parece que tocamos, pero lo estamos haciendo en un nivel tal que nuestros sentidos definen como tal, pero al mismo tiempo, como estamos construidos de átomos, que emiten partículas mensajeras todo el tiempo, podemos manifestar que por más distancia que nos separe de alguien que esté en las antípodas, lo estamos tocando. Entonces el mundo tal como lo conocemos es una entramada y compleja de red que partículas cuánticas mensajeras que están en constante interacción.

La física del contacto para nuestros sentidos limitados, parece ser finalmente sólo una ilusión.