LE QUATTRO FORZE FONDAMENTALI DELL’UNIVERSO

Premessa

L’universo è regolato da quattro forze, dette Forze Fondamentali dell’Universo: la Forza Gravitazionale, la Forza Elettromagnetica, la Forza Nucleare Debole e la Forza Nuclear Forte. Passiamoli in rassegna uno per uno.

– La Forza Gravitazionale è comune a tutta la materia, in quanto tutti i corpi materiali si attirano reciprocamente.

– La Forza Elettromagnetica è prodotta dalle cariche elettriche essa è sia attrattiva che repulsiva.

– La Forza Nucleare Debole agisce all’interno dei nuclei atomici. Tale forza genera la radioattività.

– La Forza Nucleare Forte agisce all’interno dei nuclei atomici tenendo insieme protoni e neutroni. Va aggiunto che la Forza Elettromagnetica e la Forza Nucleare Debole sono in effetti due manifestazione della stessa forza, cioè la Forza Elettrodebole. Scopo della fisica è quello di cercare di unificare tutte le forze in una sola forza, nell’intendo di dimostrare che tutte le forze presenti in natura, anche se diverse, sono manifestazioni di una sola forza. Alla fine dell’800 solo pochi fenomeni non si era ancora riusciti a spiegare l’effetto fotoelettrico e la elusività dell’etere dentro il quale le onde elettromagnetiche erano considerate propagarsi. Di fronte a questi pochi fenomeni inspiegabili, tuttavia tantissimi altri erano perfettamente descritti e spiegati. La teorie della gravitazione universale di Isaac Newton (Fig.1) descriveva estremamente bene i moti dei pianeti attorno al sole e la teoria dell’elettromagnetismo di James Clerk Maxwell (Fig.2) spiegava con molta precisione tutti i fenomeni elettromagnetici già da allora noti. Così che tra le teorie note nacque anche la Teoria della Relatività e della Meccanica Quantistica che sconvolsero la nostra visione del cosmo. Queste due teorie, purtroppo non conciliabili nei principi su cui si fondano e nella forma matematica con cui sono espresse sono ancora alla base delle teorie fisiche attuali e la loro incompatibilità rappresenta il grande problema ancora irrisolto. Dunque andiamo ad analizzare più dettagliatamente le quattro forze fondamentali per spiegare le applicazioni fisiche. Successivamente analizzeremo il modo in cui i fisici moderni hanno tentato di unificare le quattro forze mediante una teoria denominata G.U.T. cioè Teoria di Grande Unificazione.

LA FORZA GRAVITAZIONALE La legge di gravitazione universale fu introdotta da Isaac Newton nel testo fondamentale “Principia Mathematica” nel 1867: La legge così recita “Qualsiasi oggetto dell’Universo attrae ogni altro oggetto con una forza diretta lungo la linea che congiunge i baricentri dei due oggetti, di intensità direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza”.

LA FORZA ELETTROMAGNETICA L’elettromagnetismo è la branca della fisica che studia i fenomeni di natura elettrica e magnetica, tra cui i campi magnetici prodotti dalle correnti elettriche, e le correnti elettriche prodotte dai campi magnetici variabili, il cui comportamento classico è descritto dalle equazioni di Maxwell, e quantisticamente dall’elettrodinamica quantistica. Tra la forza elettrica e magnetica esiste una forte analogia, infatti entrambe sono sia attrattive che repulsive e diminuiscono con il crescere del quadrato della distanza. Tuttavia, una grande differenza è che mentre esistono cariche elettriche positive o negative isolate, sia a livello microscopico che a livello macroscopico, non esistono monopoli magnetici separati (+ o -) ma dipoli + La teoria dell’elettromagnetismo permette di dare un’interpretazione generale del magnetismo riconducendolo sempre al moto di cariche elettriche. Ci possono essere due casi: quando una carica è fissa rispetto ad un osservatore situato nel campo circostante, egli percepisce solo la presenza di un campo elettrico; quando invece la carica si muove, l’osservatore percepisce anche la presenza di un campo magnetico. Questi si interpretano con il fatto che il magnetismo è una conseguenza del moto relativo di una carica rispetto all’osservatore, e ciò è una conseguenza di una teoria ancora più generale che è la relatività. Una interpretazione congiunta dei fenomeni elettrici e di quelli magnetici venne fornita da Maxwell, sottolineando l’importanza delle induzioni generate dai campi stessi. In quattro leggi fondamentali, egli riunisce tutti gli studi e i fenomeni elettromagneti osservati nel diciannovesimo secolo

LA FORZA NUCLEARE DEBOLE

La forza nucleare debole è l’unica forza che agisce su le coppie di particelle elementari. Ha raggio d’azione breve ed è 100.000 volte più debole della forza forte. Questa forza non è in grado di tenere unite delle particelle e, data la sua debolezza, permette al neutrone di scindersi in un protone, elettrone e neutrino definito decadimento beta. I fenomeni legati alla forza nucleare debole sono strettamente legati a quelli elettromagnetici. Per questo è stata creata la forza elettrodebole, la quale interpreta entrambi i fenomeni in un’unica teoria.

LA FORZA NUCLEARE FORTE

La forza nucleare forte tiene uniti i protoni ed i neutroni all’interno del nucleo di un atomo. La forza elettromagnetica tende a far allontanare le particelle con carica uguale, ovveo i protoni, ma la forza forte anche se ha un raggio d’azione breve riesce a vincere questa repulsione e tiene il nucleo unito. All’interno dei nucleoni i quark vengono tenuti ben saldati da questa forza, che è la più forte di tutte, scambiandosi le particelle virtuali che fungono da mediatori. La forza nucleare forte è estremamente intensa e, se liberata, essa sprigiona immense energie. L’energia che le stelle producono è dovuta alle reazioni nucleari che avvengono nel loro interno. Qui sulla terra, l’uomo sta utilizzando questa energia per tentare di risolvere per sempre i propri bisogni energetici ma tuttora i problemi relativi alla produzione di questa energia sono enormi sia in termini di impatto ambientale a causa delle scorie radioattive, che in termini di controllo della medesima.

Ed infine LA TEORIA DELLA GRANDE UNIFICAZIONE. Il Modello Standard della fisica delle particelle è una teoria che descrive insieme tre delle quattro forze fondamentali, cioè l’interazione nucleare forte, l’elettromagnetismo e l’interazione nucleare debole, nonché le proprietà di tutte le particelle fondamentali che costituiscono la materia. Si tratta di una teoria di campo quantistica, coerente sia con la meccanica quantistica che con la relatività speciale.

Ebbene quando ammiriamo la volta celeste, con molto romanticismo, e contiamo le stelle, ci sentiamo un tutt’uno con l’infinito; ma quali sono i fili invisibili che agiscono per formare quel meraviglioso quadro d’autore? Ed ecco che ci poniamo alcune domande, ad esempio: … le mie mani che stanno accarezzando la tastiera del computer da cosa vengono tenute unite? Inoltre: … Qual’è la colla della vita? A queste domande c’è una sola risposta: le 4 forze fondamentali dell’universo (Fig3).

Dott. Giovanni Lorusso (IK0ELN)