Rubrica: Fisicamente
Titolo o argomento: Ecco cosa sostiene il mondo che conosciamo
Le forze fondamentali conosciute, in fisica più propriamente chiamate interazioni, sono solo quattro e spiegano non solo il moto delle particelle ma anche come avviene tutto ciò che percepiamo nel nostro quotidiano e che solitamente diamo per scontato. Se anche una sola di queste forze non esistesse, la vita non sarebbe possibile. Si distinguono: la forza (o interazione) debole, gravitazionale, elettromagnetica e forte. Le altre forze più note nel nostro quotidiano quali ad esempio la forza peso, la forza elastica e le forze di attrito (radente, volvente, viscoso) sono dirette manifestazioni, per così dire, macroscopiche, delle interazioni fondamentali.
La forza debole
La forza debole ha luogo tra particelle dette leptoni (ovvero elettroni, neutrini e muoni) ed altre particelle subatomiche. Questa le trasforma ma è troppo debole per legarle tra loro. La sua importanza è enorme in quanto regola le reazioni nucleari che avvengono al centro delle stelle (quindi anche del sole). La sua debolezza infatti permette al sole di bruciare combustibile nucleare (idrogeno) in reazioni di fusioni così lente che lo fanno durare miliardi di anni. In particolare l’interazione debole è associata al decadimento dei nuclei radioattivi, non può formare stati stabili della materia e, come introdotto, tiene sotto controllo la combustione nucleare del sole. Senza interazione debole il sole esploderebbe in una iperbomba all’idrogeno. Un po’ come se invece di avere dei carburatori o degli iniettori accendeste l’intera quantità di carburante presente nel serbatoio in una sola volta.
La forza gravitazionale
La forza gravitazionale genera una reciproca attrazione tra tutti gli oggetti dotati di massa e può formare stati stabili della materia. Si tratta dell’interazione che trattiene gli oggetti sulla terra così come lega il sole ed i pianeti nel sistema solare e le stelle nelle galassie. La forza gravitazionale è meno intensa delle forze deboli di decine di ordini di grandezza, inoltre non produce effetti nel mondo delle particelle subatomiche però ha un raggio d’azione impressionante che ha giocato un ruolo fondamentale nella storia dell’Universo. La carica gravitazionale è tale che le masse si attirano sempre.
La forza elettromagnetica
La forza elettromagnetica si esercita tra oggetti dotati di carica elettrica, può essere sia attrattiva che repulsiva ed è responsabile dei legami chimici (assieme alle proprietà ondulatorie degli elettroni). E’ come se l’attrazione elettrica che tiene insieme il nucleo e gli elettroni trabordasse al di là dei confini indefiniti dell’atomo stesso, andando ad agire sugli atomi circostanti. Infatti, nonostante la complessiva neutralità degli atomi, essi si attraggono mediante forze elettriche. Le forze elettriche, per utilizzare un esempio chiaro, sono responsabili della rigidità dei corpi solidi e di ciò che impropriamente chiamiamo forze di contatto: quando spingiamo un oggetto con la mano questo viene messo in movimento dalla repulsione elettrica tra gli atomi del palmo della mano e quelli della superficie dell’oggetto. La forza elettromagnetica vincola gli elettroni ai nuclei nella formazione degli atomi e gli atomi stessi nella formazione delle molecole e dei cristalli. La varietà del mondo che ci circonda è tenuta su dalle forze elettromagnetiche. Ma non solo… dalle forze elettromagnetiche dipende anche la nostra percezione sensoriale. Permettono di vedere grazie al fatto che la luce, che per l’appunto è un insieme di onde elettromagnetiche, colpisce la retina dell’occhio umano. Ma permettono anche di sentire con il tatto e con l’olfatto. Il corpo umano è ricco di parenti stretti dei trasduttori e dei sensori che convertono i segnali esterni in segnali elettrici da inviare tramite le fibre nervose al cervello. Anche i fenomeni chimici e biologici sono di natura elettromagnetica: la percezione dei feromoni tramite l’olfatto, rende possibile dare il via ad un processo di attrazione tra un uomo e una donna, tale percezione è possibile grazie alle forze elettromagnetiche.
La forza forte
La forza forte (detta anche nucleare) è la forza che tiene legati protoni e neutroni in un nucleo atomico ed è causata indirettamente dai quark i quali non si trovano mai isolati in natura ma si presentano in particelle composte dette adroni (nucleoni, pioni pi-greco, ecc.).
Composizione di forze
E’ logico immaginare che le diverse particelle che costituiscono la materia possono partecipare anche a più di un tipo di forza (interazione) contemporaneamente. Ad esempio il neutrone, che è un adrone, si lega con altri neutroni o protoni mediante le forze forti; possedendo un momento magnetico il neutrone interagisce anche con particelle cariche elettromagneticamente. Se il neutrone è libero decade dando origine ad un protone, un elettrone ed un antineutrino con un processo regolato dalle forze deboli. Infine, possedendo una massa, il neutrone è soggetto anche ad interazioni gravitazionali.
Per porre all’attenzione un secondo esempio concatenato, l’antineutrino del precedente esempio, non avendo né carica, né massa, né momento magnetico, è un tipico esempio di particella che risente di un solo tipo di interazione: quella debole.
Intensità relativa
Le quattro interazioni fondamentali offrono un’intensità che può esser determinata osservando gli effetti prodotti su particelle elementari in posizioni spaziali distinte. Emerge così che il contributo della forza forte è 100 volte più grande di quello elettromagnetico e 10 milioni di volte maggiore di quello debole, nonché 10^38 (ovvero 10 elevato alla 38, cioè 10 seguito da ben 38 zeri: 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000) volte maggiore di quello gravitazionale. Quindi quest’ultimo potrebbe considerarsi totalmente trascurabile, tuttavia il raggio d’azione rispettivamente delle forze forti e deboli è di soli 10^-15 metri e 10^-17 metri. Viceversa, nonostante vi sia una consistente riduzione degli effetti all’aumentare della distanza, il raggio d’azione della forza gravitazionale e della forza elettromagnetica è decisamente più esteso. La distanza tra la terra ed il sole è di circa 150 milioni di chilometri eppure gli effetti di attrazione gravitazionale si fanno sentire. Pertanto quando la distanza tra le particelle è considerevole l’interazione dominante è quella elettromagnetica nel caso le particelle siano cariche, altrimenti quella gravitazionale.
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