Le forze fondamentali

Le forze sono ovunque intorno a noi. La forza di gravità mantiene la Terra in orbita attorno al Sole. La forza del magnetismo fa sì che le barre magnetiche attirino la limatura di ferro. Un’altra, nota come forza forte incolla insieme i mattoni degli atomi. Le forze influenzano ogni oggetto dell’universo, dalle galassie più grandi alle particelle più piccole. Tutte queste forze hanno una cosa in comune: fanno sì che gli oggetti cambino il loro movimento.

Alla fine del 1600, il fisico Isaac Newton elaborò una formula per descrivere questa relazione: forza = massa × accelerazione. Potresti averlo visto scritto come F = ma. L’accelerazione è un cambiamento nel movimento di un oggetto. Questo cambiamento potrebbe essere accelerazione o rallentamento. Potrebbe anche essere un cambio di direzione. Poiché forza = massa × accelerazione, una forza più forte causerà un cambiamento maggiore nel movimento di un oggetto.

Gli scienziati misurano le forze con un’unità che prende il nome da Newton. Un newton è la forza di cui hai bisogno per raccogliere una mela.

Nella nostra vita quotidiana sperimentiamo molti tipi diversi di forze. Applichi una forza allo zaino quando lo sollevi o alla porta dell’armadietto quando lo chiudi. Le forze dell’attrito e della resistenza dell’aria ti rallentano quando vai in skate o in bicicletta. Ma tutte queste forze sono in realtà manifestazioni diverse di quattro forze fondamentali. E, quando arrivi al punto, queste sono le uniche forze all’opera nell’intero cosmo.

La gravità è una forza di attrazione tra due oggetti qualsiasi. L’attrazione è più forte quando i due oggetti sono più massicci. È anche più forte quando gli oggetti sono più vicini tra loro. La gravità terrestre ci tiene i piedi per terra. Questo rimorchiatore gravitazionale è così forte perché la Terra è così massiccia e così vicina. Ma la gravità agisce su qualsiasi distanza. Ciò significa che la gravità attira anche il tuo corpo verso il sole, Giove e persino verso galassie lontane. Questi oggetti sono così lontani che la loro gravità è troppo debole possiamo percepirla.

L’elettromagnetismo, la seconda forza, è esattamente quello che sembra: elettricità combinata con il magnetismo. A differenza della gravità, la forza elettromagnetica può attrarre o respingere. Oggetti con cariche elettriche opposte, positive e negative, si attraggono. Oggetti con lo stesso tipo di carica si respingono a vicenda.

La forza elettrica tra due oggetti è più forte quando gli oggetti sono più carichi. Si indebolisce quando gli oggetti caricati sono più distanti. Suona familiare? In questo senso, le forze elettriche sono molto simili alla gravità. Ma mentre la gravità esiste tra due oggetti qualsiasi, le forze elettriche esistono solo tra oggetti che sono caricati elettricamente.

Le forze magnetiche possono anche attrarre o respingere. Potresti averlo sentito quando hai unito le estremità, o poli, di due magneti. Ogni magnete ha un polo nord e uno sud. I poli nord dei magneti sono attratti dai poli sud. È vero anche il contrario. I poli dello stesso tipo, tuttavia, si respingono reciprocamente.

L’elettromagnetismo è alla base di molti tipi di spinte e tiri che sperimentiamo nella vita di tutti i giorni. Ciò include la spinta che eserciti sulla portiera di una macchina e l’attrito che rallenta la tua bici. Queste forze sono interazioni tra oggetti dovute alle forze elettromagnetiche tra atomi. In che modo queste minuscole forze sono così potenti? Tutti gli atomi sono per lo più spazio vuoto circondato da una nuvola di elettroni. Quando gli elettroni di un oggetto si avvicinano agli elettroni di un altro, si respingono. Questa forza repulsiva è così forte che i due oggetti si muovono. In effetti, la forza elettromagnetica è 10 milioni di miliardi di miliardi di miliardi di volte più forte della gravità (un 1 seguito da 36 zeri).

La gravità e l’elettromagnetismo sono le due forze che possiamo sentire nella nostra vita quotidiana. Le altre due forze agiscono all’interno degli atomi. Non possiamo sentire direttamente i loro effetti. Ma queste forze non sono meno importanti. Senza di loro, la materia come la conosciamo non potrebbe esistere.

La forza debole controlla le interazioni di minuscole particelle chiamate quark. I quark sono i frammenti fondamentali di materia che compongono protoni e neutroni. Sono le particelle che costituiscono i nuclei degli atomi. Le interazioni dei quark sono complesse. A volte rilasciano enormi quantità di energia. Una serie di queste reazioni avviene all’interno delle stelle. Le interazioni di forza debole fanno sì che alcune particelle nel Sole si trasformino in altre. Nel processo, rilasciano energia. Quindi la forza debole può sembrare debole, ma fa brillare il Sole e tutte le altre stelle.

La forza debole stabilisce anche le regole per il decadimento degli atomi radioattivi. Il decadimento degli atomi di carbonio radioattivo-14, ad esempio, aiuta gli archeologi a datare antichi manufatti.

Storicamente, gli scienziati hanno pensato all’elettromagnetismo e alla forza debole come cose diverse. Ma recentemente, i ricercatori hanno collegato queste forze insieme. Proprio come l’elettricità e il magnetismo sono due aspetti di una forza, l’elettromagnetismo e la forza debole sono correlati.

Ciò solleva una possibilità intrigante. Potrebbero essere collegate tutte e quattro le forze fondamentali? Nessuno ha ancora dimostrato questa idea. Ma è una domanda eccitante sulle frontiere della fisica.

La forza forte è l’ultima forza fondamentale. È ciò che mantiene stabile la materia. Protoni e neutroni costituiscono il nucleo di ogni atomo. I neutroni non hanno carica elettrica. Ma i protoni sono carichi positivamente. Ricorda, la forza elettromagnetica fa respingere cariche simili. Allora perché i protoni in un nucleo atomico non si separano? La forza forte li tiene insieme. Alla scala di un nucleo atomico, la forza forte è 100 volte più forte della forza elettromagnetica che sta tentando di allontanare i protoni. È anche abbastanza forte da tenere insieme i quark all’interno di protoni e neutroni.

Sentire le forze da lontano

Si noti che nessuna delle quattro forze fondamentali richiede che gli oggetti si tocchino. La gravità del Sole attira la Terra da lontano. Se tieni i poli opposti di due barre magnetiche uno vicino all’altro, si attireranno. Newton chiamò questa “azione a distanza“. Oggi, gli scienziati sono ancora alla ricerca di alcune delle particelle che “trasportano” le forze da un oggetto all’altro.

È noto che le particelle di luce, o fotoni, trasportano la forza elettromagnetica. Le particelle chiamate gluoni sono responsabili della forza forte, che tengono insieme i nuclei atomici come la colla. Un complicato insieme di particelle trasporta la forza debole. Ma la particella responsabile della gravità non è stata ancora individuata. I fisici pensano che la gravità sia trasportata da particelle chiamate gravitoni. Ma non sono mai stati osservati gravitoni.

Tuttavia, non abbiamo bisogno di sapere tutto sulle quattro forze per apprezzarne l’impatto. La prossima volta che scendi dalle montagne russe, ringrazia la gravità per il brivido. Quando la tua bici è in grado di frenare a un semaforo, ricorda che la forza elettromagnetica lo rende possibile. Mentre la luce del sole riscalda il tuo viso all’aperto, apprezza la forza debole. Infine, tieni un libro in mano e considera che la forza forte è ciò che lo tiene insieme.