09 – Le quattro Forze fondamentali della Fisica

Indice

• Come funzionano le forze fisiche?
• La forza nucleare forte
• La forza elettromagnetica
• La forza nucleare debole
• La gravità

Come funzionano le forze fisiche?

Le quattro forze fondamentali si esercitano tramite particelle mediatrici, che vengono emesse e riassorbite dalle particelle che sono soggette alla forza. Come se fossero dei messaggeri che portano dei comandi: attrai! Respingi! Trasforma! Per tre delle forze, queste particelle messaggere sono state osservate, mentre solo per una, la Gravità, esse sono state teorizzate ma non ancora scoperte. Le 4 forze vengono anche dette “interazioni”, in quanto, appunto, si manifestano dall’interazione – comunicazione, scambio di messaggi – tra particelle.

La forza nucleare forte

Partiamo dalla forza più potente, quella che tiene insieme i nuclei degli atomi. Poiché particelle della stessa carica si respingono, i protoni, di carica positiva, tendono ad evitarsi quando si incontrano, e per natura non starebbero troppo vicini gli uni agli altri. Ma se vengono compressi violentemente uno contro l’altro, con una energia sufficiente, in determinate condizioni finiscono per unirsi (“fondersi”), in un legame stabile e strettissimo.

Questo legame, la Forza Nucleare Forte, potrà essere rotto solo da una enorme quantità di energia. Come dicevamo in precedenza, è in questo modo che si libera l’energia nucleare dalla fissione dei nuclei, rompendo cioè i nuclei atomici di elementi pesanti.

Nelle brevi (brevissime) distanze, la Forza Nucleare Forte non ha rivali. Pensiamo che alla distanza di 1 femtometro (1 fm = 10^-15 metri) o meno, essa è circa 137 volte maggiore della forza elettromagnetica, circa 106 volte superiore a quella della forza debole, e circa 10³⁸ volte quella di gravitazione.

Se è la più potente, però, è anche la forza con il minor raggio d’azione. Per restare uniti, protoni e neutroni devono infatti essere molto vicini, altrimenti la repulsione tra particelle della stessa carica avrebbe il sopravvento.

La particella mediatrice della Forza Nucleare Forte è il gluone; il termine, adattato dalla parola inglese glue, che significa colla, è veramente azzeccato per indicare l’effetto davvero “appiccicoso” di questa particella.

La forza elettromagnetica

Se le particelle di materia rimanessero da sole, non succederebbe molto nel Cosmo. Per raggiungere obiettivi ambiziosi, occorre costruire strutture sempre più complesse, variando le proprietà con cui la materia può esprimersi e ottenere così grandi traguardi.

Ciò per fortuna è possibile, anche grazie alla Forza Elettromagnetica. Questa forza agisce tra particelle con carica elettrica. Ad esempio, è la forza che porta particelle di carica opposta ad attrarsi, e quindi è lei che consente la formazione degli atomi, aggregando gli elettroni ai nuclei.

Analogamente, è lei che permette agli atomi di combinarsi a loro volta tra loro. Così ad esempio, se due solitari atomi di idrogeno e uno di ossigeno si legano insieme, può nascere una molecola d’acqua. L’acqua, sostanza indispensabile per le forme viventi terrestri, e culla del seme della vita sul nostro pianeta.

La Forza Elettromagnetica è, insomma, la forza che tiene insieme i nostri corpi e tutto ciò che ci circonda, e che definisce le caratteristiche e le proprietà degli oggetti. L’intensità della Forza Elettromagnetica è di molto inferiore alla Forza Nucleare Forte, ma agisce a distanze molto maggiori.

Il mediatore della Forza Elettromagnetica è il fotone, che ben conosciamo. È infatti il fotone che, venendo assorbito e riemesso dalla materia, trasporta l’energia elettromagnetica.

La forza nucleare debole

Questa è una forza che difficilmente ricade nelle nostre esperienze di tutti i giorni. Non porta particelle ad attrarsi o a respingersi, ma ne favorisce la trasformazione. È la causa della radioattività che si genera quando, in nuclei instabili, un neutrone si trasforma in un protone, con l’emissione di elettroni (radiazione beta) e neutrini – un processo detto decadimento beta.

L’Interazione Nucleare Debole ha un’intensità minore delle forze Elettromagnetica e Nucleare Forte, con un raggio d’azione estremamente piccolo.

Le sue particelle mediatrici sono i bosoni W- e W+ ed il bosone Z°.

La gravità

Tutte le quattro forze sono essenziali e imprescindibili, ma in qualche modo la Forza di Gravità è la regina del Cosmo. Tutta la storia dell’Universo pare un match agguerrito tra la Gravità e diversi sfidanti, che man mano soccombono alla sua tenacia.

La Gravità è la forza attrattiva che le masse esercitano tra di loro. Qualunque massa la esercita, piccola o grande che sia. La Terra attrae la mela che cade sul prato, ma a sua volta anche la mela attira la Terra. Ovviamente, è la mela a spostarsi perché l’attrazione è proporzionale alla massa degli oggetti.

L’intensità dell’attrazione tra due masse è tanto più forte quanto maggiori sono le masse in gioco; diminuisce invece man mano che le masse si allontanano. Per l’esattezza, la forza di attrazione gravitazionale è direttamente proporzionale al prodotto delle due masse, e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.

Fu Isaac Newton per primo a esprimere queste relazioni, nella sua legge di gravitazione universale:

Nella formula, F è la Forza di gravità, m₁ e m₂ sono le masse dei due corpi in gioco, G è la costante di gravitazione universale (un numero molto piccolo), e r è la distanza tra le due masse.

La stessa forza che ci tiene piantati a terra è anche la forza responsabile delle orbite delle lune attorno ai loro pianeti, e dei pianeti attorno alle loro stelle. La Luna non cade sulla Terra perché la sua distanza e la sua velocità sono tali da evitare una collisione.

Sì, è vero…qualcuno ricorderà che nel Capitolo dedicato allo spazio abbiamo detto che secondo la Relatività, l’attrazione gravitazionale è frutto della curvatura dello spazio esercitata dalle masse. Ed è così. Tuttavia, la Legge di gravitazione universale di Newton funziona benissimo, tranne che in situazioni estreme, ed è utilizzabile senza grossi problemi.

C’è un aspetto della formula di Newton da tenere ben presente, perché ci servirà molto nella nostra narrazione. Quando diciamo che la Forza di Gravità è strettamente dipendente dalla distanza tra due oggetti, ci stiamo riferendo alla distanza tra i loro centri, i cosiddetti centri di massa (es. distanza tra il centro della Terra e il centro della Luna).

Per un oggetto posto sulla superficie terrestre, la distanza sarà rappresentata dal raggio del nostro pianeta (distanza tra la superficie e il centro della Terra). Questo è molto importante perché significa che a parità di massa, un oggetto più piccolo e compatto esercita un’attrazione gravitazionale maggiore. Se la Terra avesse un raggio minore mantenendo la stessa massa, noi saremmo più pesanti…

Faremo man mano la conoscenza con molti oggetti celesti, e vedremo che questa relazione tra Gravità e densità avrà un ruolo fondamentale nella loro esistenza.

Ma la Gravità è ancora molto più di questo. È lei che ha permesso la formazione di lune, pianeti, stelle. Tutti i corpi celesti si sono formati da piccoli agglomerati di materia che, attraendosi, diventavano sempre più grandi, così attraendo nuova materia e aumentando la massa.

È così che si è formata la Terra, ed è così che si è acceso il Sole. È grazie alla Gravità che un giorno, 200 milioni di anni dopo il Big Bang, le prime stelle hanno cominciato a emettere luce, per via della fusione nucleare di cui abbiamo parlato sopra. Fusione nucleare resa possibile dal collasso di materia su sé stessa, causato appunto dalla gravità. Senza una forza di attrazione esercitata dalla massa, dopo il Big Bang la materia avrebbe seguito inesorabilmente lo spazio, senza alcuna possibilità di condensarsi.

La Gravità è la forza più debole delle quattro. Non ha, ad esempio, gli effetti devastanti della Forza Nucleare Forte, che si vince solo disponendo di energie elevatissime. Tuttavia, il suo raggio d’azione è infinito. Ad esempio, anche da una galassia lontana avvertiremmo in qualche modo la forza di attrazione gravitazionale terrestre, un valore quasi nullo, ma mai uno zero esatto. L’eventuale particella mediatrice della Gravità, il cosiddetto gravitone, non è ancora stata scoperta sperimentalmente.

La Gravità non è prepotente, ma è paziente. Paziente e inesorabile. Può impiegare milioni, miliardi di anni per raggiungere il suo scopo. Ma alla fine, lo raggiungerà. Così, dagli atomi, la Gravità forma pianeti e stelle. Di giovani esuberanti stelle massicce, la Gravità fa enormi fabbriche di elementi e di luce. Le spreme. Le agita. Le porta all’apice con giganti esplosioni che nutrono il Cosmo di nuovi elementi, e poi le ritorce su loro stesse in mostruosi buchi neri.

Tutto questo può fare la Gravità, e molto di più.

Nel prossimo Capitolo, riprenderemo la nostra narrazione dalla fine dell’età oscura, che come abbiamo accennato sopra segna un altro miracoloso traguardo del nostro Universo. La nascita delle prime stelle.