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Le quattro forze fondamentali della natura

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Le forze fondamentali della natura che sperimentiamo possono essere ridotte a quattro: la forza di Gravità, la forza debole, la forza elettromagnetica e la forza forte. Queste quattro forze regolano tutto quello che accade nel nostro universo.

Forze fondamentali della natura: la gravità.

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La forza di gravità si esprime attraverso l’attrazione tra due oggetti che hanno massa o energia. La gravità è forse la più intuitiva e familiare delle quattro forze fondamentali della natura, ma è stata anche una delle più complesse da spiegare. Il primo a spiegare tale forza fu Isaac Newton che descrisse la gravità come un’attrazione tra due corpi. 

Qualche secolo dopo Albert Einstein suggerì, attraverso la sua teoria della relatività generale, che la gravità è una conseguenza degli oggetti che incurvano lo spazio-tempo. Un oggetto di grandi dimensioni produce nello spazio-tempo una deformazione attraendo nella deformazione stessa oggetti meno massicci.

La gravità tiene insieme pianeti, stelle e galassie ma risulta essere la più debole delle forze fondamentali della natura, specialmente su scala atomica, infatti a livello molecolare e atomico, la gravità non ha quasi alcun effetto rispetto alle altre forze fondamentali.

Forze fondamentali della natura: la forza debole

La forza debole o interazione nucleare debole, è responsabile del decadimento radioattivo delle particelle. Ad esempio, un neutrino che si allontana da un neutrone può trasformare il neutrone in un protone mentre il neutrino si trasforma in un elettrone.

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I fisici descrivono questa interazione attraverso lo scambio di particelle portatrici di una 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 di distanza, possono scambiare i bosoni che portano la forza.. 

La forza debole è essenziale per le reazioni di fusione nucleare che avvengono all’interno del Sole e delle stelle e producono l’energia necessaria per la maggior parte delle forme di vita presenti sulla Terra. Grazie alla forza debole gli archeologi possono utilizzare il carbonio-14 per datare le sostanze organiche. 

Forze fondamentali della natura: forza elettromagnetica

La forza elettromagnetica agisce invece tra particelle cariche, come elettroni e protoni. Cariche opposte si attraggono, mentre cariche uguali si respingono. Maggiore è la carica, maggiore è la forza di repulsione esercitata. E proprio come la gravità, questa forza può essere percepita da una distanza infinita.

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La forza elettromagnetica è composta dalla forza elettrica e dalla forza magnetica. All’inizio, i fisici hanno descritto queste forze come fossero indipendenti una dall’altra, ma in seguito si sono accorti che le due forze sono componenti di una stessa forza. 

La componente elettrica agisce tra le particelle cariche sia in movimento che stazionarie, creando un campo in cui le cariche possono influenzarsi a vicenda. Ma una volta messe in moto, le particelle cariche iniziano a mostrare la forza magnetica. Le particelle creano un campo magnetico mentre si muovono. Quando gli elettroni fluiscono su un cavo, il cavo stesso si magnetizza.

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Le forze elettromagnetiche vengono trasferite tra particelle cariche attraverso lo scambio di bosoni portatori di forza privi di massa chiamati fotoni, che compongono la luce. I fotoni portatori di forza tra particelle cariche, tuttavia, sono una manifestazione diversa dei fotoni. Sono virtuali cioè non rilevabili, anche se tecnicamente sono le stesse particelle della versione reale e rilevabile.

La forza elettromagnetica è responsabile di fenomeni come l’attrito, l’elasticità e la forza che tiene insieme i solidi in una data forma. È responsabile della resistenza che gli uccelli, gli aerei sperimentano durante il volo. Queste azioni possono verificarsi a causa di particelle cariche (o neutralizzate) che interagiscono tra loro. 

Forze fondamentali della natura: la forza nucleare forte

La forza nucleare forte o interazione nucleare tra le forze fondamentali della natura è quella più forte, trilioni di trilioni di volte più forte della gravità. Questo spiega il legame che tiene coesa la materia. La forza forte opera solo quando le particelle subatomiche sono estremamente vicine. Devono trovarsi entro 10 ^ -15 metri l’una dall’altra.

La forza forte, a differenza di qualsiasi altra forza fondamentale, diventa più debole man mano che le particelle subatomiche si avvicinano. In realtà raggiunge la massima forza quando le particelle sono più lontane l’una dall’altra. Una volta nel raggio d’azione, i bosoni carichi privi di massa chiamati gluoni trasmettono la forza forte tra i quark e li tengono “incollati”. 

Una piccola parte della forza forte chiamata forza forte residua agisce tra protoni e neutroni. I protoni nel nucleo si respingono l’un l’altro a causa della loro carica, ma la forza forte residua può superare questa repulsione, quindi le particelle rimangono legate a formare un nucleo atomico.

Unificare le forze fondamentali della natura

Resta in sospeso una importante questione, le quattro forze fondamentali della natura sono manifestazioni di una sola grande forza dell’universo? Se è cosi ognuna di esse dovrebbe fondersi con le altre e alcune prove sembrano andare in quella direzione.

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 aver unificato la forza elettromagnetica con la forza debole per formare la forza elettrodebole.

I fisici impegnati nella ricerca di una grande teoria unificata mirano a unire la forza elettrodebole con la forza forte per ottenere una forza elettronucleare, che i modelli hanno previsto ma i ricercatori non hanno ancora osservato. La parte finale del lavoro dei ricercatori consisterà nell’unificare la gravità con la forza elettronucleare in modo da ottenere un’unica forza che permetterebbe di ottenere la tanto agognata teoria del tutto.

Per ora i fisici non sono ancora riusciti a fondere il mondo microscopico con quello macroscopico. Su scale 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 domina descrivendo al meglio la natura.

I fisici che studiano la gravità quantistica mirano a descrivere la forza in maniera quantistica. Importante per questo approccio sarebbe la scoperta dei gravitoni, il bosone portatore di forze della forza gravitazionale. La gravità è l’unica forza fondamentale che i fisici possono attualmente descrivere senza utilizzare particelle che trasportano forza. 

Le altre forze fondamentali della natura ricorrono a particelle capaci di trasportare le forze e i fisici pensano che anche la forza di gravità dovrebbe essere trasportata da particelle subatomiche.

Ma la storia dell’unificazione compie strade tortuose, altre complicazioni sono sorte con la materia oscura e l’energia oscura che costituiscono circa il 95% dell’universo. Non sappiamo ancora quali o quale particella compone le materia e l’energia oscura e non sappiamo se anche queste particelle si scambiano dei bosoni per trasmettere le proprie forze.

I fisici hanno ipotizzato l’esistenza di un bosone chiamato fotone oscuro che medierebbe le interazioni tra l’universo visibile e la materia e l’energia oscura. Se i fotoni oscuri esistessero, sarebbero la chiave per osservare il mondo invisibile della materia oscura e potrebbero portare alla scoperta di una quinta forza completando il puzzle delle forze fondamentali della natura.

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