Dal camminare per strada, al lancio di un razzo nello spazio, al lancio di un magnete sul frigorifero, le forze fisiche agiscono intorno a noi. Ma tutte le forze che sperimentiamo ogni giorno (e molte che non ci rendiamo conto di sperimentare ogni giorno) possono essere ridotte a sole quattro forze fondamentali:
- Gravità.
- La forza debole.
- Elettromagnetismo.
- La forza forte.
Queste sono chiamate le quattro forze fondamentali della natura e governano tutto ciò che accade nell'universo.
Gravità
La gravità è l'attrazione tra due oggetti che hanno massa o energia, indipendentemente dal fatto che ciò avvenga nel far cadere una roccia da un ponte, un pianeta in orbita attorno a una stella o la luna che causa 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 a 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 lo spazio-tempo. Un grande oggetto funziona nello spazio-tempo un po 'come il modo in cui una grande palla posta al centro di un foglio influenza quel materiale, deformandolo e facendo cadere altri oggetti più piccoli sul foglio verso il centro.
Anche se la gravità tiene 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 sollevare il piede? O 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 debole interazione nucleare, è responsabile del decadimento delle particelle. Questo è il cambiamento letterale di un tipo di particella subatomica in un altro. Quindi, per esempio, un neutrino che si allontana da 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. Specifici tipi 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'uno dall'altro, possono scambiarsi questi bosoni. Di conseguenza, le particelle subatomiche si decompongono in nuove particelle, secondo il sito web HyperPhysics della Georgia State University.
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 usare il carbonio 14 per datare ossa, legno e altri manufatti precedentemente 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 si verifica a un ritmo prevedibile, consentendo agli scienziati di determinare quanti anni hanno tali artefatti.
Forza elettromagnetica
La forza elettromagnetica, chiamata anche forza di Lorentz, agisce tra particelle cariche, come elettroni carichi negativamente e protoni caricati positivamente. Le cariche opposte si attraggono a vicenda, 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 (anche se 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. Inizialmente, i fisici descrissero queste forze come separate l'una dall'altra, ma i ricercatori in seguito si resero conto che i due sono componenti della stessa forza.
Il componente elettrico agisce tra particelle cariche sia in movimento che stazionarie, creando un campo attraverso il quale le cariche possono influenzarsi a vicenda. Ma una volta messe in moto, quelle particelle cariche iniziano a mostrare il secondo componente, la forza magnetica. Le particelle creano un campo magnetico attorno a loro mentre si muovono. Pertanto, quando gli elettroni eseguono lo zoom attraverso un cavo per caricare il computer o il telefono o accendono la TV, ad esempio, il cavo diventa magnetico.
Le forze elettromagnetiche vengono trasferite tra particelle cariche attraverso lo scambio di bosoni senza massa e portatori di forza chiamati fotoni, che sono anche i componenti delle particelle di luce. I fotoni che trasportano forza che si scambiano tra particelle cariche, tuttavia, sono una diversa manifestazione di fotoni. Sono virtuali e non rilevabili, anche se tecnicamente sono le stesse particelle della versione reale e rilevabile, secondo l'Università del Tennessee, Knoxville.
La forza elettromagnetica è responsabile di alcuni dei fenomeni più comunemente sperimentati: attrito, elasticità, forza normale e forza che tiene insieme i solidi in una data forma. È anche responsabile della resistenza che gli uccelli, gli aerei e persino il Superman sperimentano 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 tira il libro a terra), per esempio, è una conseguenza degli elettroni negli atomi del tavolo che respingono gli elettroni negli atomi del libro.
La forte forza nucleare
La forte forza nucleare, chiamata anche forte interazione nucleare, è la più forte delle quattro forze fondamentali della natura. È 6 mila trilioni di miliardi di miliardi (ovvero 39 zero dopo 6!) Volte più forte della forza di gravità, secondo il sito web HyperPhysics. E questo perché lega le particelle fondamentali della materia insieme per formare particelle più grandi. Tiene insieme i quark che formano i protoni e i neutroni e parte della forza forte tiene anche insieme i protoni e i neutroni del nucleo di un atomo.
Proprio come la forza debole, la forza forte opera solo quando le particelle subatomiche sono estremamente vicine tra loro. Devono trovarsi da qualche parte entro 10 ^ -15 metri l'uno dall'altro, o approssimativamente nel diametro di un protone, secondo il sito web HyperPhysics.
La forza forte è strana, tuttavia, poiché a differenza di qualsiasi altra forza fondamentale, si indebolisce quando le particelle subatomiche si avvicinano. Raggiunge la massima resistenza quando le particelle sono più lontane l'una dall'altra, secondo Fermilab. 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 vicenda 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.
Natura unificante
La questione fondamentale delle quattro forze fondamentali è se sono in realtà manifestazioni di una sola grande forza dell'universo. In tal caso, 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 nel 1979 per unificare la forza elettromagnetica con la forza debole per formare il concetto di forza elettrodebole. I fisici che lavorano per trovare una cosiddetta grande teoria unificata mirano a unire la forza elettrodebole alla forza forte per definire una forza elettronucleare, che i modelli hanno previsto ma che i ricercatori non hanno ancora osservato. L'ultimo pezzo del puzzle richiederebbe quindi l'unificazione della gravità con la forza elettronucleare per sviluppare la cosiddetta teoria di tutto, un quadro teorico che potrebbe spiegare l'intero universo.
I fisici, tuttavia, hanno trovato piuttosto difficile fondere il mondo microscopico con quello macroscopico. Su larga scala e soprattutto su scala astronomica, la gravità domina ed è meglio descritta dalla teoria della relatività generale di Einstein. Ma su scala molecolare, atomica o subatomica, la meccanica quantistica descrive meglio il mondo naturale. E finora, nessuno ha trovato un buon modo per unire quei due mondi.
I fisici che studiano la gravità quantistica mirano a descrivere la forza in termini di mondo quantico, che potrebbe aiutare con l'unione. 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 usare 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 è il regno invisibile della materia oscura e dell'energia oscura, 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 particella messaggera primaria di interesse attuale è il teorico fotone oscuro, che media le interazioni tra l'universo visibile e invisibile. Se esistessero fotoni oscuri, sarebbero la chiave per rilevare il mondo invisibile della materia oscura e potrebbero portare alla scoperta di una quinta forza fondamentale. Finora, tuttavia, non ci sono prove dell'esistenza di fotoni oscuri, e alcune ricerche hanno dimostrato con forza che queste particelle non esistono.
