Le 4 Forze

Le 4 Forze

L’intero Cosmo è regolato da 4 forze:

Gravità, Elettromagnetismo,
Interazione forte e debole.

Ora gli scienziati indagando sul loro
significato più profondo sperano di scoprire
che sono solo diverse manifestazioni
di un’unica forza universale.
Sono convinti infatti che esista
una superforza capace di
cambiare aspetto di volta in volta.

Il loro effetto è quello di attirare o respingere, ma mentre l’influsso di gravità e di elettromagnetismo si estende all’infinito, le altre due agiscono soltanto entro i ristretti confini del nucleo atomico.
Attorno a noi tutto si muove e cambia: il Sole nel cielo, le foglie sugli alberi, l’acqua nei fiumi, gli uccelli nell’aria, le rughe sul viso. Sono le forze a plasmare il mondo e a produrre i cambiamenti che osserviamo. Sono loro a dirigere qualsiasi processo fisico, chimico o biologico. Alcune forze agiscono per contatto, come il caldo su una palla, mentre altre, come la Luna sulle maree, paiono agire a distanza attraverso uno spazio vuoto.

A prima vista le forze sembrano essere molte e assai diverse tra loro, ma non è così.
Negli ultimi tre secoli i fisici si sono accorti che per spiegare ogni interazione tra corpi, ogni struttura che si possa osservare o creare nell’universo, bastano quattro forze:

la forza gravitazionale. la forza elettromagnetica e due forze che si manifestano solo dentro l’atomo, chiamate semplicemente ‘forte" e ‘debole".

MASSE IN MOVIMENTO
La gravità è la più familiare delle forze, essendo quella che ci tiene coi piedi per terra.

Benché l’uomo ne sia sempre stato consapevole, il suo ruolo come forza della natura non è stato pienamente riconosciuto fino alla pubblicazione della teoria della gravitazione di Newton, alla fine del Seicento.
Prima era diffusa l’idea aristotelica secondo cui tutti i corpi tendono al loro "luogo naturale". Che per i solidi e i liquidi è la terra e per questo cadono, mentre per i gas è il cielo. per cui salgono.Con Newton il motore del movimento diventa la gravità e la massa è la proprietà di ogni corpo che lo rende sensibile ad essa: più un corpo ha massa e più attrae altri corpi dotati di massa.

CALAMITE ED ELETTRICITA’
La forza elettromagnetica è la seconda delle quattro in familiarità.

E’ la forza che governa tutte le comodità della vita moderna: luce, tv, telefono, computer... ma è nota all’uomo fin dai primordi grazie ai fulmini. Inoltre, sì sapeva da millenni che alcuni materiali, come il vetro e l’ambra, emanano una forza d’attrazione se li si strofina.
Solo nel Settecento, però, l’americano Benjamin Franklin comprese che lo strofinio carica elettricamente i corpi.
La carica elettrica gioca, infatti, lo stesso ruolo della massa per la gravità: determina quanto un corpo sia sensibile alla forza elettromagnetica, cioè quanto sia attirato o respinto da altri corpi carichi.

Fino allora, forza elettrica e forza magnetica (quella esercitata dalle calamite e da altri materiali magnetizzati) erano però ritenute due fenomeni distinti. Finché nel 1820 il danese Christian Oersted ipotizzò che elettricità e magnetismo fossero intercambiabili e mostrò che un filo percorso da corrente elettrica agisce come un magnete. influenzando le bussole. Nel 1831, l’inglese Michael Faraday verificò l’opposto, cioè che dal movimento di un magnete si ricava elettricità.

Fu poi James Clerk Maxwell. nel 1873 a trovare anche la conferma matematica: un insieme di equazioni che descrivono contemporaneamente il comportamento di elettricità e magnetismo.

COLLANTE NUCLEARE
Le forze nucleari forte e debole ci sono meno familiari perché. a differenza di gravità ed elettromagnetismo, la cui influenza si estende all’infinito, il loro raggio d’azione è limitato alle dimensioni dei nuclei atomici. Più in là non sono avvertibili.

Ecco perché queste due forze sono state scoperte solo recentemente. D’altra parte, finché si pensava che il nucleo atomico fosse fatto di protoni (con carica positiva) e di elettroni (con carica negativa) sembrava ragionevole supporre che la reciproca attrazione elettromagnetica bastasse a spiegare la stabilità del nucleo: dopo il 1930. però. quando il modello di atomo ispirato da Rutherford e Bohr fu definitivamente accettato (un nucleo di protoni e neutroni attorno al quale ruotano gli elettroni), si dovette riconoscere con sgomento che non si sapeva spiegare cosa tenesse insieme il nucleo: i protoni si sarebbero dovuti infatti respingere tra loro. Poiché l’interazione gravitazionale era troppo debole perché abbia degli effetti su scala atomica. si concluse che doveva esistere un’interazione nucleare ancora sconosciuta ma molto intensa, che per questo fu battezzata "forza forte". E’ questa forza a cortissimo raggio che tiene uniti i quark all’interno dei protoni e dei neutroni, e riesce a tenere stipati insieme protoni e neutroni nei nuclei atomici.

DECADIMENTI RADIOATTIVI
La forza forte non bastava però a spiegare tutti i modi in cui i nuclei a volte si scindono, per esempio in alcuni casi di decadimento radioattivo (in particolare un fenomeno definito "decadimento beta"). Doveva quindi esserci un’ulteriore forza che, all’occasione. riusciva a trasformare un protone in un neutrone e viceversa. Senza questa forza, le reazioni nucleari non sarebbero possibili, nemmeno quelle che alimentano il Sole. Il primo a descriverla matematicamente fu l’italiano Enrico Fermi, nel 1934 e per contrasto con la forza nucleare forte la si chiamò "debole".

Negli ultimi decenni i tisici hanno scoperto che, come la massa determina la sensibilità di una particella alla gravità e la carica elettrica la sua sensibilità all’elettromagnetismo, così una particella può essere dotata di una "carica debole" (detta anche ‘sapore") e di una "carica forte" (o "colore") che determinano la sua sensibilità rispettivamente alla forza debole e alla forza forte.

DISPARITÀ
Al di la del fatto che queste proprietà sono state accuratamente misurate dai fisici in laboratorio, nessuno ha ancora trovato una spiegazione del perché il nostro universo sia composto di particelle con queste particolari masse e cariche e del perché le forze sì differenzino cosi tanto in intensità

DEBOLISSIMA GRAVITA'
Gli esperimenti hanno dimostrato. per esempio, che la forza forte è circa cento volte più tenace della forza elettromagnetica e addirittura centomila volte più forte di quella debole.
Al contrario, a livello di particelle singole, la gravità è una forza praticamente impercettibile, più debole della forza elettromagnetica di un miliardo di miliardi di miliardi di miliardi di volte (1 seguito da 36 zeri).

L’unica ragione per cui la forza elettromagnetica non sopraffà completamente la gravità e che anzi sia quest’ultima a essere di gran lunga la più conosciuta ed evidente, è che la maggior parte delle cose contiene un uguale numero di cariche elettriche positive e negative, le cui azioni attrattive e repulsive si cancellano a vicenda.
La gravità è invece sempre attrattiva (neppure l’antimateria avrebbe un effetto di repulsione gravitazionale), per cui la forza gravitazionale aumenta inesorabilmente all’aumentare della quantità di materia. Ne consegue che stelle e pianeti hanno una gravità enorme, così che possono attrarsi e restare reciprocamente legati anche a distanze di miliardi di chilometri.
Ed è proprio questo a rendere possibile l’esistenza stessa dell’universo.


Dalla teoria dei campi alle particelle di scambio
tutti i modi in cui gli scienziati hanno
finora spiegato l’azione a distanza delle forze
Tutte tranne una: la
gravità

Nel tentativo di spiegare come i corpi possano interagire a distanza. venne introdotto nell’Ottocento il concetto di campo: l’azione della forza (gravitazionale, elettrica, magnetica eccetera) non ha luogo direttamente ma ciascun corpo genera nello spazio un alone invisibile di influenza.
Un altro corpo che venga a trovarsi in questo campo percepisce una forza. Qualsiasi particella che possieda una massa è dunque sorgente di un campo gravitazionale, che si estende indefinitamente in tutte le direzioni. Se poi è dotata i di carica elettrica è anche sorgente di un campo elettromagnetico, altrettanto esteso.

RIMPALLI SUBATOMICI
A partire dagli anni Trenta, con l' affermarsi della meccanica quantistica subentrò un altro modo di considerare l' azione di una forza. A livello microscopico l' interazione tra due particelle venne immaginata come lo scambio virtuale di una terza particella .

Ogni volta che la particella A emette una particella di scambio rincula come se avesse sparato un proiettile: e ogni volta che la particella B riceve una particella di scambio viene spinta all' indietro dall' urto. Così facendo, le particelle A e B si allontanano l' una dall' altra. proprio come se si respingessero a vicenda. Poi c'è il caso opposto: la particella di scambio si comporta come un boomerang spostandosi da dietro la particella A a dietro la particella B, in modo tale che l' effetto diventa quello di avvicinare le due particelle. proprio come se si fossero attirate reciprocamente.

PARTICELLA INAFFERRABILE
Secondo questo modo di vedere (descritto dalle cosiddette teorie di gauge) tutte le forze sarebbero il risultato di scambi di particelle, che hanno il compito di trasportarne l’azione.
Nel caso della forza elettromagnetica. la particella portatrice è il fotone. Per la forza debole sono i cosiddetti bosoni W e Z. Per la forza forte sono i gluoni dall’inglese glue. "colla": un nome particolarmente azzeccato per qualcosa che deve tenere tenacemente uniti i "pezzi" di un nucleo atomico.

Dal 1982 l’esistenza e le proprietà di questi tre tipi di particelle mediatrici o bosoni vettori, sono state definitivamente stabilite sperimentalmente. I fisici ritengono che anche la forza gravitazionale abbia una particella associata, il gravitone ma la sua esistenza non è stata ancora provata. L’intrinseca debolezza della gravità rende infatti la sua ricerca un’impresa. I calcoli teorici indicano che il gravitone dovrebbe essere privo di massa, come il fotone e il gluone, che in questo si differenziano dai bosoni W e Z. la cui massa è invece 80 volte quella del protone.

Domani: la Teoria del Tutto

Tutte le leggi della creazione descritte da una sola teoria? I fisici ne sono convinti, e la cercano fin dai tempi di Einstein.
Perché le forze fondamentali sono proprio quattro? Perché non cinque o tre, o piuttosto una sola? Perché le loro intensità sono così diverse? E perché hanno proprio quei valori?
Non si tratta di domande filosofiche: l’
universo sarebbe un posto ben diverso se le forze fossero anche di poco differenti.
Per esempio. l’esistenza di nuclei atomici stabili si fonda sul delicato equilibrio tra forza elettromagnetica e forte: i protoni del nucleo si respingono elettricamente, ma la forza forte che attrae tra loro i quark che li costituiscono bilancia questa repulsione.

IL PRIMO SUCCESSO
Al tempo di Einstein. la forza debole e quella forte non erano ancora state scoperte ma egli trovava già insopportabile l’esistenza di due forze distinte, gravità ed elettromagnetismo. Si mise così alla ricerca di una "teoria del campo unificato", una relazione matematica capace di descriverle entrambe dimostrando che erano manifestazioni di un’unica forza come elettricità e magnetismo.

Einstein dedicò a questo progetto alcuni decenni, infruttuosamente. Nel frattempo furono scoperte le altre due forze, il che rese ancor più difficile l’impresa. Verso la fine degli anni ‘60 però. gli americani Steven Weinberg, Sheldon L. Glashow e il pakistano Abdus Salam idearono un modello matematico che descriveva la forza elettromagnetica e quella debole come aspetti di un’unica "forza elettrodebole".

Ma com’è possibile che forze d’intensità tanto diversa possano assumere la stessa forma? In realtà l’intensità effettiva delle forze non è costante in assoluto, ma cambia in funzione della temperatura dell’ambiente in cui agiscono.
L’intensità della forza debole e di quella elettromagnetica variano all’aumentare della temperatura fino a diventare simili verso il milione di miliardi di gradi (corrispondente a un’energia di 100 miliardi di elettronvolt). E’ a quel punto che le due forze si combinano nell’unica forza elettrodebole.

LA GRANDE UNIFICAZIONE
Al crescere ulteriore della temperatura anche la forza nucleare forte sì indebolisce avvicinandosi per intensità a quella elettrodebole. Ma per osservarne l’unificazione bisognerebbe raggiungere la fantastica temperatura di 10 miliardi di miliardi di miliardi di gradi.

Questo non toglie che molti fisici siano tuttora convinti di essere sulla strada giusta. Ancora qualche modifica e la Teoria di grande unificazione (GUT), proposta nella sua prima formulazione nel 1973, descriverà anche la forza forte: tre su quattro.

L’ultima forza rimasta. la gravità, continua però a sfuggire all’unificazione. Infatti, nel momento in cui si usa la GUT per calcolare alcune proprietà che dovrebbero potersi misurare sperimentalmente si ottengono valori infinitamente grandi anziché numeri sensati.

LE SUPER CORDE
Nel 1984 Edward Witten, Michael Green e John Schwarz proposero però una nuova teoria fisica, la cui potenza risiede nel concetto di "corda".

Secondo questa teoria, se potessimo esaminare le particelle fondamentali - come quark ed elettroni - con un "ingrandimento" centomila miliardi di volte maggiore di quello che ci è permesso dalle tecnologie attuali scopriremmo che esse non sono palline ma minuscole linee o anelli sottilissimi.

La teoria afferma che le proprietà delle particelle osservate - comprese quelle che veicolano le forze - sono il riflesso dei vari modi in cui queste microscopiche stringhe possono vibrare, come corde di una chitarra. Anziché produrre note musicali, però. ciascuna delle possibili vibrazioni ci appare come una diversa particella.
Così l’elettrone è una corda che vibra in un certo I modo, il quark down una corda che vibra in un altro modo, il fotone una corda che vibra in un altro modo ancora, e così via. Le interazioni tra particelle diventano allora fusioni e scissioni di corde

UNA SPIEGAZIONE PER TUTTO
Tutto troppo pittoresco’? Forse, ma la sostituzione delle particelle puntiformi con corde è ciò che ha permesso di trovare un punto idi contatto tra la gravità e le altre forze.
Un’eventualità che si presenta però vicino alla più alta temperatura mai raggiunta in natura, quella del
Big Bang. e non è dunque sperimentabile sulla Terra. Nondimeno, un numero sempre maggiore di fisici e di matematici è convinto che la teoria delle supercorde potrebbe fornire la "spiegazione ultima" già ricercata da Einstein.
Partendo da un solo principio (cioè che tutto, a livello microscopico. non è che una combinazione di corde vibranti) la teoria fornisce infatti una cornice di riferimento entro cui racchiudere tutte le forze e tutta la materia.
Semplificando al massimo, potremmo affermare che le particelle sono le note prodotte dalle vibrazioni delle microscopiche corde. E che l’universo è la musica che con queste note è stata composta.

Per questa ragione la teoria delle supercorde è stata definita la migliore candidata al titolo di Teoria del tutto: la descrizione definitiva delle proprietà fondamentali dell’universo. Non che essa fornisca una risposta a qualsiasi interrogativo dal tempo che farà il prossimo fine settimana a chi vincerà il campionato di calcio. Ma dovrebbe finalmente spiegarci perché esistono i quark o gli elettroni e non altre particelle. In sostanza svelarci la struttura su cui è costruito il mondo intero.

SPAZI A PIU’ DIMENSIONI
La teoria delle supercorde tuttavia ha una struttura concettuale così profonda che siamo ancora ben lontani dall’averne piena padronanza. La sua matematica è così complicata che finora non se ne conoscono neppure le esatte equazioni ma solo delle approssimazioni risolte parzialmente.

"La teoria potrà richiedere ancora decenni o addirittura secoli per essere completamente sviluppata e compresa" prevede Greene. Basti dire che uno dei suoi requisiti è che l’universo abbia un numero di dimensioni (a seconda delle formulazioni 10, 11 o 26) ben maggiore delle tre che vediamo. Dove sono allora queste dimensioni extra? Secondo gli scienziati sarebbero rimaste intrappolate nel finissimo tessuto spazio-temporale dell’universo e non si sono potute espandere, cosicché la loro i esistenza è per noi impercettibile. Perché questo sia avvenuto è però ancora un mistero.

Se la teoria delle supercorde è corretta, il microscopico tessuto del nostro universo è dunque un labirinto multidimensionale intrecciato. all’interno del quale le corde vibrano e si attorcigliano senza posa. Lontano dall’essere dettagli accidentali, le proprietà dei mattoni elementari della natura sarebbero invece profondamente legate al tessuto dello spazio-tempo.

A distanza di mezzo secolo, il sogno di Einstein di una teoria unitaria sembra oggi vicino a realizzarsi.


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