La ley de la gravedad de Newton y la ley de la fuerza eléctrica de Coulomb comparten una estructura matemática sorprendentemente similar: ambas describen una fuerza entre dos objetos que decae con el cuadrado de la distancia que los separa — duplica la distancia, y la fuerza cae a una cuarta parte de su intensidad anterior, en ambos casos. A pesar de esa forma compartida, las dos fuerzas difieren en un factor casi inimaginable en cuanto a intensidad bruta, y es esa diferencia de magnitud, no la forma de la ley en sí, lo que determina qué fuerza domina realmente en las distintas escalas físicas.
Dos fuerzas, la misma forma de cuadrado inverso, una intensidad radicalmente distinta
La ley de Coulomb establece que la fuerza eléctrica entre dos objetos cargados es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa — matemáticamente, la misma relación básica de cuadrado inverso que la ley de la gravedad de Newton describe para las masas en lugar de las cargas. Pero la constante que escala la ley de Coulomb es muchísimo mayor que la constante equivalente en la ley de la gravedad de Newton, lo que significa que, para dos partículas con una carga elemental típica, la fuerza eléctrica entre ellas a una distancia dada es dramáticamente más intensa, por decenas de órdenes de magnitud, que la fuerza gravitatoria entre dos partículas de masa comparable a la misma distancia. Ambas leyes comparten una forma matemática idéntica; lo único que difiere es la escala pura de la fuerza en juego, pero esa diferencia de escala resulta ser enorme.
Por qué la gravedad sigue ganando en la escala en la que realmente la notamos
Dado lo dramáticamente más intensa que es la fuerza eléctrica comparada con la gravedad, podría parecer extraño que sea la gravedad, y no la fuerza eléctrica, la que gobierna visiblemente el movimiento de los planetas y la caída de los objetos cotidianos. La razón se reduce a una diferencia estructural clave entre carga y masa: la carga eléctrica existe en dos variedades, positiva y negativa, que se atraen y se repelen, y la materia ordinaria en conjunto es, en general, extremadamente cercana a la neutralidad eléctrica, con cantidades aproximadamente iguales de carga positiva y negativa que se cancelan a cualquier distancia significativa — lo que significa que las enormes fuerzas eléctricas entre partículas cargadas individuales se cancelan en su mayor parte cuando se observan dos objetos grandes y aproximadamente neutros, como los planetas. La masa, a diferencia de la carga, existe en una sola variedad y siempre atrae, sin ninguna cancelación equivalente, razón por la cual la gravedad, a pesar de ser astronómicamente más débil fuerza contra fuerza entre dos partículas individuales cualesquiera, acaba dominando el movimiento a gran escala de los objetos astronómicos, mientras que la fuerza eléctrica, a pesar de ser mucho más intensa a nivel de partículas cargadas individuales, domina en cambio a escala atómica y molecular, donde la neutralidad de carga no cancela las cosas de la misma manera.
De lo que todavía no estamos seguros
La forma matemática de la ley de Coulomb, su estructura de cuadrado inverso compartida con la gravedad, y la enorme disparidad en intensidad relativa entre las dos fuerzas son física extremadamente bien establecida y medida con precisión, sin disputa científica real. Lo que sigue siendo una de las preguntas abiertas más profundas de la física fundamental es por qué las fuerzas fundamentales del universo tienen precisamente las intensidades relativas que tienen — los físicos no cuentan actualmente con una explicación completa desde primeros principios de por qué la gravedad es tantos órdenes de magnitud más débil que el electromagnetismo, un asunto a veces llamado el problema de la jerarquía en física de partículas, y sigue siendo un área activa de investigación teórica en lugar de un resultado zanjado y bien comprendido.
Esto forma parte de Carga Eléctrica y la Ley de Coulomb, uno de los ocho temas de Electromagnetismo, uno de los cinco dominios de Física, una de las diecisiete materias sobre las que la app puede preguntarte.