En la física, existen cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan las interacciones entre partículas. Estas son la gravedad, el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil. En general, estos fenómenos no son «fuerzas» en el sentido tradicional, pero son componentes fundamentales de la física cuántica que pueden tener efectos profundos en el comportamiento de las partículas.

Gravedad: Esta es la fuerza que hace que los objetos con masa se atraigan entre sí. Aunque es omnipresente y afecta a todo lo que tiene masa, es la más débil de las cuatro fuerzas. En la física cuántica, la gravedad sigue siendo un enigma y está descrita por la teoría de la relatividad general de Einstein, pero aún no se ha unificado con éxito con las otras tres fuerzas en una teoría cuántica coherente.

Electromagnetismo: Esta es la fuerza que causa las interacciones entre partículas cargadas. Es responsable de fenómenos como la luz y el electromagnetismo en general. En la teoría cuántica, está descrita por la teoría cuántica de campos, específicamente la electrodinámica cuántica.

Fuerza nuclear fuerte: Esta es la fuerza que mantiene unidos los protones y neutrones en el núcleo de un átomo. Es la más fuerte de las cuatro fuerzas y está descrita por la cromodinámica cuántica en la teoría cuántica de campos.

Fuerza nuclear débil: Esta es la fuerza que causa ciertos tipos de desintegración nuclear. Está descrita por la teoría electrodébil, que unifica el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil.

Ahora, cuando se dice «fuerzas invisibles«, podría interpretarse de varias maneras. En un sentido, todas estas fuerzas son «invisibles» en el sentido de que no las vemos directamente, sino que observamos sus efectos. Pero también podrías estar refiriéndote a fenómenos cuánticos más esotéricos, como el entrelazamiento cuántico, que puede parecer una «fuerza invisible» que conecta partículas a distancias arbitrariamente grandes. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el entrelazamiento no es una fuerza en el sentido tradicional.

El principio de indeterminación de Heisenberg es fundamental para nuestra comprensión de la física cuántica. Este principio establece que no se puede conocer simultáneamente la posición y el momento (es decir, la masa y la velocidad) de una partícula con precisión infinita. Cuanto más precisamente tratemos de medir una de estas cantidades, menos precisión tendremos en la medida de la otra. Este principio es un reflejo del hecho de que, a nivel cuántico, las partículas exhiben características tanto de partículas como de ondas.

El fenómeno de superposición cuántica también es muy interesante. En la mecánica cuántica, las partículas pueden existir en lo que se llama un estado de superposición, que es una combinación de diferentes estados posibles. Sólo cuando se mide la partícula, «colapsa» en uno de estos estados posibles. El famoso experimento de la doble rendija es una demostración de esto, donde las partículas pasan a través de ambas rendijas al mismo tiempo cuando no se observan, pero pasan a través de una u otra cuando se mide.

El entrelazamiento cuántico es otro fenómeno asombroso que a menudo se describe como una «acción a distancia espeluznante«. Cuando dos partículas se entrelazan, pueden estar a millones de kilómetros de distancia, pero el estado de una afectará al estado de la otra instantáneamente cuando se mida. Esta correlación instantánea ha sido confirmada experimentalmente y es una de las características más extrañas y contra-intuitivas de la física cuántica.

La decoherencia cuántica es otro concepto clave en física cuántica. Es el proceso por el cual los sistemas cuánticos pierden su naturaleza cuántica, generalmente debido a la interacción con su entorno. En términos más técnicos, es la pérdida de la coherencia o la capacidad de exhibir comportamiento de interferencia y entrelazamiento. La decoherencia cuántica es un obstáculo importante en el desarrollo de tecnologías cuánticas, como las computadoras cuánticas, porque necesitamos mantener a los sistemas cuánticos aislados del entorno para preservar su naturaleza cuántica.

Un tema relacionado con la decoherencia es la interpretación de la medición cuántica. En la mecánica cuántica, las partículas están en un estado de superposición hasta que se mide, momento en el que «colapsan» en un solo estado. Pero lo que realmente significa «medir» y por qué provoca el colapso del estado cuántico es una cuestión de debate en la interpretación de la mecánica cuántica. Algunos físicos creen que la medición causa un colapso real, mientras que otros creen que solo revela un estado preexistente. Todavía hay otras interpretaciones, como la interpretación de los mundos múltiples, que sostiene que cada posible estado cuántico corresponde a un universo diferente.

Aunque la gravedad cuántica no es una «fuerza invisible», es un área de investigación activa que merece ser mencionada. Aunque hemos tenido mucho éxito en la descripción de tres de las fuerzas fundamentales (el electromagnetismo, la fuerza fuerte y la fuerza débil) usando la teoría cuántica de campos, aún no hemos desarrollado una teoría cuántica coherente de la gravedad. Los intentos de combinar la gravedad con la teoría cuántica, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, son temas de investigación activa.

Las partículas virtuales son otro fenómeno «invisible» en la física cuántica. Aparecen en la teoría cuántica de campos como partículas que existen temporalmente y luego se aniquilan a sí mismas. No pueden ser detectadas directamente, pero su existencia se puede inferir por sus efectos en otras partículas y campos. Por ejemplo, son esenciales para explicar la fuerza fuerte y la fuerza electromagnética.

El túnel cuántico es un fenómeno increíblemente interesante en el que una partícula puede atravesar una barrera a pesar de no tener energía suficiente para hacerlo, según las leyes de la física clásica. Esto se debe a la naturaleza ondulatoria de las partículas en la mecánica cuántica y es responsable de varios efectos, como la fusión nuclear en el sol.

La teoría de cuerdas es una teoría teórica que intenta unificar todas las fuerzas fundamentales de la física en un marco coherente. En lugar de tratar las partículas como objetos puntuales, las considera como cuerdas unidimensionales cuya vibración determina las propiedades de las partículas. Aunque todavía no ha sido probada experimentalmente, la teoría de cuerdas es una de las principales candidatas para una teoría cuántica de la gravedad.

Las partículas de materia oscura son una de las «fuerzas invisibles» más misteriosas del universo. Sabemos por las observaciones astronómicas que la mayor parte de la masa del universo es materia oscura, pero no sabemos qué es exactamente. Las partículas de materia oscura son una de las explicaciones propuestas, y hay muchos experimentos en curso para tratar de detectarlas.

El principio de exclusión de Pauli es una regla fundamental en la física cuántica que establece que no puede haber dos fermiones (una clase de partículas que incluye electrones, protones y neutrones) en el mismo estado cuántico simultáneamente. Esto es lo que impide que los electrones en un átomo se colapsen todos en el nivel de energía más bajo y es responsable de la estructura de la tabla periódica de los elementos.

La condensación de Bose-Einstein es un estado de la materia que ocurre a temperaturas extremadamente bajas, en el cual un grupo de bosones (una clase de partículas que incluye fotones y gluones) cae en el mismo estado cuántico, actuando como una superpartícula. Estos condensados proporcionan una forma fascinante de observar directamente los efectos cuánticos a gran escala.

Los quarks son partículas elementales que componen los protones y neutrones. No se pueden observar directamente debido a un fenómeno llamado confinamiento de color, pero su existencia y propiedades se han inferido de una gran cantidad de experimentos. Hay seis tipos o «sabores» de quarks: up, down, charm, strange, top y bottom.

La radiación de Hawking es un efecto teórico propuesto por Stephen Hawking que sugiere que los agujeros negros pueden emitir partículas debido a efectos cuánticos cerca del horizonte de eventos. Aunque aún no ha sido observado directamente, este efecto ha tenido un gran impacto en nuestra comprensión teórica de los agujeros negros y el universo.

Las partículas W y Z son bosones, un tipo de partícula que puede existir en el mismo estado al mismo tiempo. Las partículas W y Z son mediadoras de la fuerza nuclear débil, que es responsable de algunos tipos de desintegración nuclear. Aunque estas partículas son extremadamente difíciles de detectar debido a su corta vida útil, su existencia ha sido confirmada experimentalmente.

Los neutrinos son partículas subatómicas de masa muy pequeña que raramente interactúan con la materia normal. Son extremadamente difíciles de detectar y, por lo tanto, a veces se les llama «partículas fantasma«. Los neutrinos son importantes en muchos procesos físicos, incluyendo las reacciones nucleares en las estrellas y la descomposición de ciertos tipos de partículas subatómicas.

La energía oscura es una forma teórica de energía que se cree que es responsable de la aceleración de la expansión del universo. Aunque no se ha observado directamente y su naturaleza sigue siendo un misterio, la energía oscura es un componente importante en el modelo estándar de cosmología.

La dualidad onda-partícula es el concepto de que todas las partículas exhiben propiedades tanto de partículas como de ondas. Este fenómeno es fundamental para la física cuántica y está demostrado por experimentos como el de la doble rendija, en el que la luz a veces actúa como partícula y otras veces como onda.

La intricación cuántica es un fenómeno en el cual las partículas se vuelven «entrelazadas» de tal manera que el estado de una partícula está instantáneamente correlacionado con el estado de la otra, independientemente de la distancia entre ellas. Este fenómeno ha sido descrito como «espeluznante» y es una de las características más desconcertantes y fundamentales de la física cuántica.

Los gluones son partículas que actúan como portadores de la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo. Esta fuerza mantiene unidos los quarks dentro de los protones y neutrones. Aunque los gluones no pueden ser detectados directamente debido al confinamiento de color (un fenómeno por el cual los quarks y gluones están permanentemente confinados dentro de hadrones como protones y neutrones), su existencia y propiedades han sido confirmadas por experimentos de alta energía.

La teoría cuántica de campos es el marco teórico que combina la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad especial para describir cómo las partículas interactúan y se crean o aniquilan entre sí. Los campos cuánticos son «entidades» que existen en todas partes del espacio y las partículas son vistos como excitaciones de estos campos.

El vacío cuántico, a diferencia de un vacío clásico que está completamente vacío, está lleno de partículas y antipartículas virtuales que constantemente aparecen y desaparecen. Este «mar de partículas virtuales» puede tener efectos medibles, como la producción de partículas a partir del vacío en presencia de campos eléctricos muy fuertes, un efecto conocido como producción de pares.

El desplazamiento al rojo gravitacional, o efecto Doppler gravitacional, es un fenómeno predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein. Sugiere que la luz o cualquier otra radiación electromagnética de un objeto será «desplazada» hacia longitudes de onda más largas y frecuencias más bajas (es decir, hacia el rojo) en un campo gravitatorio. Esto se ha confirmado a través de una variedad de experimentos y observaciones astronómicas.

Estos son solo algunos de los fenómenos y principios sorprendentes en la física cuántica que, aunque pueden parecer «invisibles» o indetectables, juegan un papel crucial en la forma en que funciona nuestro universo. La física cuántica sigue siendo un área de investigación activa y se están haciendo nuevos descubrimientos y avances todo el tiempo.

Estos conceptos y muchos otros demuestran la rica variedad de fenómenos que la física cuántica puede describir, y son un testimonio de las maneras sorprendentes y a menudo contra-intuitivas en que el universo puede comportarse a escalas muy pequeñas.