Le quattro forze fondamentali della natura

Le quattro forze fondamentali agiscono su di noi ogni giorno, che ce ne rendiamo conto o meno. Dal giocare a basket, al lancio di un razzo in This Web, all'attaccare una calamita sul frigorifero: tutte le forze che tutti noi sperimentiamo ogni giorno possono essere ridotte a un quartetto critico: gravità, forza debole, elettromagnetismo e forza forza. Queste forze governano tutto ciò che accade nell'universo.

Gravità

La gravità è l'attrazione tra due oggetti che hanno massa o energia, sia che si tratti di far cadere una roccia da un ponte, un pianeta in orbita attorno a una stella o la luna che causa le maree oceaniche. La gravità è probabilmente la più intuitiva e familiare delle forze fondamentali, ma è stata anche una delle più difficili da spiegare.

Isaac Newton fu il primo a proporre l'idea di gravità, presumibilmente ispirata da una mela che cade da un albero. Ha descritto la gravità come un'attrazione letterale tra due oggetti. Secoli dopo, Albert Einstein suggerì, attraverso la sua teoria della relatività generale , che la gravità non è un'attrazione o una forza. Invece, è una conseguenza degli oggetti che piegano questo Web-time. Un oggetto grande funziona su This Web-time un po' come una grande palla posta al centro di un foglio colpisce quel materiale, deformandolo e facendo cadere altri oggetti più piccoli sul foglio verso il centro.

Sebbene la gravità tenga insieme pianeti, stelle, sistemi solari e persino galassie , risulta essere la più debole delle forze fondamentali, specialmente su scala molecolare e atomica. Pensala in questo modo: quanto è difficile sollevare una palla da terra? O per alzare il piede? O per saltare? Tutte queste azioni stanno contrastando la gravità dell'intera Terra. E a livello molecolare e atomico, la gravità non ha quasi alcun effetto rispetto alle altre forze fondamentali.

La forza debole

La forza debole, chiamata anche interazione nucleare debole, è responsabile del decadimento delle particelle. Questo è il cambiamento letterale di un tipo di particella subatomica in un altro. Quindi, ad esempio, un neutrino ( si apre in una nuova scheda) che si allontana vicino a un neutrone può trasformare il neutrone in un protone mentre il neutrino diventa un elettrone.

I fisici descrivono questa interazione attraverso lo scambio di particelle che trasportano forza chiamate bosoni. Tipi specifici di bosoni sono responsabili della forza debole, della forza elettromagnetica e della forza forte. Nella forza debole, i bosoni sono particelle cariche chiamate bosoni W e Z. Quando particelle subatomiche come protoni, neutroni ed elettroni si trovano entro 10^-18 metri, o 0,1% del diametro di un protone, l'una dall'altra, possono scambiare questi bosoni. Di conseguenza, le particelle subatomiche decadono in nuove particelle, secondo il sito web HyperPhysics della Georgia State University (si apre in una nuova scheda).

La forza debole è fondamentale per le reazioni di fusione nucleare che alimentano il sole e producono l'energia necessaria per la maggior parte delle forme di vita qui sulla Terra. È anche il motivo per cui gli archeologi possono utilizzare il carbonio-14 per datare ossa antiche, legno e altri manufatti un tempo viventi. Il carbonio-14 ha sei protoni e otto neutroni; uno di quei neutroni decade in un protone per produrre azoto-14, che ha sette protoni e sette neutroni. Questo decadimento avviene a una velocità prevedibile, consentendo agli scienziati di determinare l'età di tali artefatti.

La forza debole è fondamentale per le reazioni di fusione nucleare che alimentano il sole e producono l'energia necessaria per la maggior parte delle forme di vita qui sulla Terra. Questo significativo brillamento solare ha raggiunto il picco alle 10:29 EDT del 3 luglio 2021 (Image credit: NASA)

Forza elettromagnetica

La forza elettromagnetica, chiamata anche forza di Lorentz, agisce tra particelle cariche, come elettroni caricati negativamente e protoni caricati positivamente. Le cariche opposte si attraggono, mentre le cariche simili si respingono. Maggiore è la carica, maggiore è la forza. E proprio come la gravità, questa forza può essere percepita da una distanza infinita (sebbene la forza sarebbe molto, molto piccola a quella distanza).

Come indica il nome, la forza elettromagnetica è composta da due parti: la forza elettrica e la forza magnetica (si apre in una nuova scheda). All'inizio, i fisici descrissero queste forze come separate l'una dall'altra, ma in seguito i ricercatori si resero conto che le due sono componenti della stessa forza.

La componente elettrica agisce tra le particelle cariche sia in movimento che fisse, creando un campo attraverso il quale le cariche possono influenzarsi a vicenda. Ma una volta messe in moto, quelle particelle cariche iniziano a mostrare la seconda componente, la forza magnetica. Le particelle creano un campo magnetico attorno a loro mentre si muovono. Quindi, quando gli elettroni ingrandiscono un cavo per caricare il computer o il telefono o per accendere la TV, ad esempio, il cavo diventa magnetico.

Le forze elettromagnetiche vengono trasferite tra le particelle cariche attraverso lo scambio di bosoni privi di massa che trasportano forza chiamati fotoni, che sono anche i componenti delle particelle della luce. I fotoni portatori di forza che si scambiano tra particelle cariche, tuttavia, sono una manifestazione diversa dei fotoni. Sono virtuali e non rilevabili, anche se tecnicamente sono le stesse particelle della versione reale e rilevabile, secondo l' Università del Tennessee, Knoxville (si apre in una nuova scheda).

La forza elettromagnetica è responsabile di alcuni dei fenomeni più comunemente sperimentati: l'attrito, l'elasticità, la forza normale e la forza che tiene insieme i solidi in una determinata forma. È persino responsabile della resistenza che gli uccelli, gli aerei e persino Superman subiscono durante il volo. Queste azioni possono verificarsi a causa di particelle cariche (o neutralizzate) che interagiscono tra loro. La forza normale che tiene un libro sopra un tavolo (invece della gravità che trascina il libro a terra), ad esempio, è una conseguenza degli elettroni negli atomi del tavolo che respingono gli elettroni negli atomi del libro.

La forza che tiene un libro sopra un tavolo (invece della gravità che trascina il libro a terra), è una conseguenza della forza elettromagnetica: gli elettroni negli atomi del tavolo respingono gli elettroni negli atomi del libro. (Credito immagine: NASA/Shutterstock)

La forza nucleare forte

La forza nucleare forte, chiamata anche interazione nucleare forte, è la più forte delle quattro forze fondamentali della natura. Sono 6mila trilioni di trilioni di trilioni (sono 39 zeri dopo 6!) volte più forte della forza di gravità, secondo il sito web di HyperPhysics (si apre in una nuova scheda). E questo perché lega insieme le particelle fondamentali della materia (si apre in una nuova scheda) per formare particelle più grandi. Tiene insieme i quark che compongono i protoni e i neutroni, e parte della forza forte tiene insieme anche i protoni ei neutroni del nucleo di un atomo.

Proprio come la forza debole, la forza forte opera solo quando le particelle subatomiche sono estremamente vicine l'una all'altra. Devono trovarsi da qualche parte entro 10^-15 metri l'uno dall'altro, o all'incirca all'interno del diametro di un protone.

La forza forte è strana, però, perché a differenza di qualsiasi altra forza fondamentale, si indebolisce man mano che le particelle subatomiche si avvicinano. In realtà raggiunge la massima forza quando le particelle sono più lontane l'una dall'altra, secondo Fermilab (si apre in una nuova scheda). Una volta nel raggio d'azione, i bosoni carichi senza massa chiamati gluoni trasmettono la forza forte tra i quark e li tengono "incollati" insieme. Una piccola frazione della forza forte chiamata forza forte residua agisce tra protoni e neutroni. I protoni nel nucleo si respingono a causa della loro carica simile, ma la forza forte residua può superare questa repulsione, quindi le particelle rimangono legate nel nucleo di un atomo (si apre in una nuova scheda).

Natura unificante

La questione principale delle quattro forze fondamentali è se siano effettivamente manifestazioni di una sola grande forza dell'universo. Se è così, ognuno di loro dovrebbe essere in grado di fondersi con gli altri, e ci sono già prove che possono farlo.

I fisici Sheldon Glashow e Steven Weinberg dell'Università di Harvard con Abdus Salam dell'Imperial College di Londra hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica (si apre in una nuova scheda) nel 1979 per aver unificato la forza elettromagnetica con la forza debole per formare il concetto di forza elettrodebole (si apre in nuova scheda) . I fisici che lavorano per trovare una cosiddetta teoria della grande unificata mirano a unire la forza elettrodebole con la forza forte per definire una forza elettronucleare, che i modelli hanno previsto ma i ricercatori non hanno ancora osservato. L'ultimo pezzo del puzzle richiederebbe quindi un'unificazione della gravità con la forza elettronucleare per sviluppare la cosiddetta teoria del tutto (si apre in una nuova scheda), un quadro teorico che potrebbe spiegare l'intero universo.

I fisici, tuttavia, hanno trovato piuttosto difficile unire il mondo microscopico con quello macroscopico. A grandi scale e soprattutto astronomiche, la gravità domina ed è meglio descritta dalla teoria della relatività generale di Einstein. Ma su scala molecolare, atomica o subatomica, la meccanica quantistica (si apre in una nuova scheda) descrive al meglio il mondo naturale. E finora, nessuno ha escogitato un buon modo per unire questi due mondi.

Molti fisici mirano a unire le forze fondamentali sotto un'unica teoria unificata, un quadro teorico che potrebbe spiegare l'intero universo. (Credito immagine: Shutterstock)

I fisici che studiano la gravità quantistica mirano a descrivere la forza nei termini del mondo quantistico, che potrebbe aiutare con la fusione. Fondamentale per questo approccio sarebbe la scoperta dei gravitoni, il bosone teorico portatore di forza della forza gravitazionale. La gravità è l'unica forza fondamentale che i fisici possono attualmente descrivere senza utilizzare particelle che trasportano forza. Ma poiché le descrizioni di tutte le altre forze fondamentali richiedono particelle che trasportano forza, gli scienziati si aspettano che i gravitoni debbano esistere a livello subatomico, i ricercatori non hanno ancora trovato queste particelle.

A complicare ulteriormente la storia c'è il regno invisibile della materia oscura e dell'energia oscura (si apre in una nuova scheda), che costituiscono circa il 95% dell'universo. Non è chiaro se la materia oscura e l'energia siano costituite da una singola particella o da un intero insieme di particelle che hanno le proprie forze e bosoni messaggeri.

La principale particella messaggera di attuale interesse è il fotone oscuro teorico, che media le interazioni tra l'universo visibile e quello invisibile. Se i fotoni oscuri esistessero, sarebbero la chiave per rilevare il mondo invisibile della materia oscura e potrebbero portare alla scoperta di una quinta forza fondamentale (si apre in una nuova scheda). Finora, tuttavia, non ci sono prove dell'esistenza di fotoni scuri (si apre in una nuova scheda) e alcune ricerche hanno offerto prove evidenti che queste particelle non esistono (si aprono in una nuova scheda).

Risorse addizionali:

  • Guarda un video sulle forze fondamentali della natura (si apre in una nuova scheda), dalla Khan Academy.
  • Leggi di più sull'unificazione delle forze fondamentali (si apre in una nuova scheda), dal CERN.
  • Leggi di più su come funzionano le forze fondamentali nel Modello Standard (si apre in una nuova scheda), dal CERN.
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