Le 4 Forze
Lintero Cosmo è regolato da 4 forze:
Gravità, Elettromagnetismo, Interazione forte e debole.
Ora gli
scienziati indagando sul loro significato più profondo sperano
di scoprire
che sono solo diverse manifestazioni di ununica forza
universale.
Sono convinti infatti che esista una superforza capace di
cambiare aspetto di volta in volta.
Il loro effetto è
quello di attirare o respingere, ma mentre linflusso di
gravità e di elettromagnetismo si estende allinfinito, le
altre due agiscono soltanto entro i ristretti confini del nucleo
atomico.
Attorno a noi tutto si muove e cambia: il Sole nel cielo, le
foglie sugli alberi, lacqua nei fiumi, gli uccelli
nellaria, le rughe sul viso. Sono le forze a plasmare il
mondo e a produrre i cambiamenti che osserviamo. Sono loro a
dirigere qualsiasi processo fisico, chimico o biologico. Alcune
forze agiscono per contatto, come il caldo su una palla, mentre
altre, come la Luna sulle maree, paiono agire a distanza
attraverso uno spazio vuoto.
A prima vista le forze sembrano essere molte e assai diverse tra loro, ma non è così. Negli ultimi tre secoli i fisici si sono accorti che per spiegare ogni interazione tra corpi, ogni struttura che si possa osservare o creare nelluniverso, bastano quattro forze:
la forza gravitazionale. la forza elettromagnetica e due forze che si manifestano solo dentro latomo, chiamate semplicemente forte" e debole". |
MASSE IN
MOVIMENTO
La gravità è la più familiare
delle forze, essendo quella che ci tiene coi piedi per terra.
Benché luomo ne sia sempre stato consapevole, il suo ruolo come forza della natura non è stato pienamente riconosciuto fino alla pubblicazione della teoria della gravitazione di Newton, alla fine del Seicento.
Prima era diffusa lidea aristotelica secondo cui tutti i corpi tendono al loro "luogo naturale". Che per i solidi e i liquidi è la terra e per questo cadono, mentre per i gas è il cielo. per cui salgono.Con Newton il motore del movimento diventa la gravità e la massa è la proprietà di ogni corpo che lo rende sensibile ad essa: più un corpo ha massa e più attrae altri corpi dotati di massa.
CALAMITE ED
ELETTRICITA
La forza elettromagnetica è la
seconda delle quattro in familiarità.
E la forza che governa tutte le comodità della vita moderna: luce, tv, telefono, computer... ma è nota alluomo fin dai primordi grazie ai fulmini. Inoltre, sì sapeva da millenni che alcuni materiali, come il vetro e lambra, emanano una forza dattrazione se li si strofina.
Solo nel Settecento, però, lamericano Benjamin Franklin comprese che lo strofinio carica elettricamente i corpi.
La carica elettrica gioca, infatti, lo stesso ruolo della massa per la gravità: determina quanto un corpo sia sensibile alla forza elettromagnetica, cioè quanto sia attirato o respinto da altri corpi carichi.
Fino allora, forza elettrica e forza magnetica (quella esercitata dalle calamite e da altri materiali magnetizzati) erano però ritenute due fenomeni distinti. Finché nel 1820 il danese Christian Oersted ipotizzò che elettricità e magnetismo fossero intercambiabili e mostrò che un filo percorso da corrente elettrica agisce come un magnete. influenzando le bussole. Nel 1831, linglese Michael Faraday verificò lopposto, cioè che dal movimento di un magnete si ricava elettricità.
Fu poi James Clerk Maxwell. nel 1873 a trovare anche la conferma matematica: un insieme di equazioni che descrivono contemporaneamente il comportamento di elettricità e magnetismo.
COLLANTE NUCLEARE
Le forze nucleari forte e debole ci
sono meno familiari perché. a differenza di gravità ed
elettromagnetismo, la cui influenza si estende allinfinito,
il loro raggio dazione è limitato alle dimensioni dei
nuclei atomici. Più in là non sono avvertibili.
Ecco perché queste due forze sono state scoperte solo recentemente. Daltra parte, finché si pensava che il nucleo atomico fosse fatto di protoni (con carica positiva) e di elettroni (con carica negativa) sembrava ragionevole supporre che la reciproca attrazione elettromagnetica bastasse a spiegare la stabilità del nucleo: dopo il 1930. però. quando il modello di atomo ispirato da Rutherford e Bohr fu definitivamente accettato (un nucleo di protoni e neutroni attorno al quale ruotano gli elettroni), si dovette riconoscere con sgomento che non si sapeva spiegare cosa tenesse insieme il nucleo: i protoni si sarebbero dovuti infatti respingere tra loro. Poiché linterazione gravitazionale era troppo debole perché abbia degli effetti su scala atomica. si concluse che doveva esistere uninterazione nucleare ancora sconosciuta ma molto intensa, che per questo fu battezzata "forza forte". E questa forza a cortissimo raggio che tiene uniti i quark allinterno dei protoni e dei neutroni, e riesce a tenere stipati insieme protoni e neutroni nei nuclei atomici.
DECADIMENTI
RADIOATTIVI
La forza forte non bastava però a
spiegare tutti i modi in cui i nuclei a volte si scindono, per
esempio in alcuni casi di decadimento radioattivo (in particolare un fenomeno definito
"decadimento beta"). Doveva quindi esserci
unulteriore forza che, alloccasione. riusciva a
trasformare un protone in un neutrone e viceversa. Senza questa
forza, le reazioni nucleari non sarebbero possibili, nemmeno
quelle che alimentano il Sole. Il primo a descriverla
matematicamente fu litaliano Enrico Fermi, nel 1934
e per contrasto con la forza nucleare forte la si chiamò
"debole".
Negli ultimi decenni i tisici hanno scoperto che, come la massa determina la sensibilità di una particella alla gravità e la carica elettrica la sua sensibilità allelettromagnetismo, così una particella può essere dotata di una "carica debole" (detta anche sapore") e di una "carica forte" (o "colore") che determinano la sua sensibilità rispettivamente alla forza debole e alla forza forte.
DISPARITÀ
Al di la del fatto che queste
proprietà sono state accuratamente misurate dai fisici in
laboratorio, nessuno ha ancora trovato una spiegazione del
perché il nostro universo sia composto di particelle con queste
particolari masse e cariche e del perché le forze sì
differenzino cosi tanto in intensità
DEBOLISSIMA
GRAVITA'
Gli esperimenti hanno dimostrato.
per esempio, che la forza forte è circa cento volte più
tenace della forza elettromagnetica e addirittura centomila
volte più forte di quella debole. Al contrario, a livello di
particelle singole, la gravità è una forza praticamente
impercettibile, più debole della forza elettromagnetica di un
miliardo di miliardi di miliardi di miliardi di volte (1
seguito da 36 zeri).
Lunica ragione per cui la forza elettromagnetica non sopraffà completamente la gravità e che anzi sia questultima a essere di gran lunga la più conosciuta ed evidente, è che la maggior parte delle cose contiene un uguale numero di cariche elettriche positive e negative, le cui azioni attrattive e repulsive si cancellano a vicenda.
La gravità è invece sempre attrattiva (neppure lantimateria avrebbe un effetto di repulsione gravitazionale), per cui la forza gravitazionale aumenta inesorabilmente allaumentare della quantità di materia. Ne consegue che stelle e pianeti hanno una gravità enorme, così che possono attrarsi e restare reciprocamente legati anche a distanze di miliardi di chilometri.
Ed è proprio questo a rendere possibile lesistenza stessa delluniverso.
Dalla
teoria dei campi alle particelle di scambio tutti i modi in cui
gli scienziati hanno
finora spiegato lazione a distanza delle forze Tutte tranne
una: la gravità
Nel tentativo di
spiegare come i corpi possano interagire a distanza. venne
introdotto nellOttocento il concetto di campo:
lazione della forza (gravitazionale, elettrica, magnetica
eccetera) non ha luogo direttamente ma ciascun corpo genera nello
spazio un alone invisibile di influenza.
Un altro corpo che venga a trovarsi in questo campo percepisce
una forza. Qualsiasi particella che possieda una massa è dunque
sorgente di un campo gravitazionale, che si estende
indefinitamente in tutte le direzioni. Se poi è dotata i di
carica elettrica è anche sorgente di un campo elettromagnetico,
altrettanto esteso.
RIMPALLI
SUBATOMICI
A partire dagli anni Trenta, con l'
affermarsi della meccanica
quantistica subentrò un
altro modo di considerare l' azione di una forza. A livello
microscopico l' interazione tra due particelle venne immaginata
come lo scambio virtuale di una terza particella .
Ogni volta che la particella A emette una particella di scambio rincula come se avesse sparato un proiettile: e ogni volta che la particella B riceve una particella di scambio viene spinta all' indietro dall' urto. Così facendo, le particelle A e B si allontanano l' una dall' altra. proprio come se si respingessero a vicenda. Poi c'è il caso opposto: la particella di scambio si comporta come un boomerang spostandosi da dietro la particella A a dietro la particella B, in modo tale che l' effetto diventa quello di avvicinare le due particelle. proprio come se si fossero attirate reciprocamente.
PARTICELLA
INAFFERRABILE
Secondo questo modo di vedere
(descritto dalle cosiddette teorie di gauge) tutte le
forze sarebbero il risultato di scambi di particelle, che hanno il compito di trasportarne
lazione.
Nel caso della forza elettromagnetica. la particella portatrice
è il fotone. Per la forza debole sono i cosiddetti bosoni
W e Z. Per la forza forte sono i gluoni dallinglese
glue. "colla": un nome particolarmente azzeccato per
qualcosa che deve tenere tenacemente uniti i "pezzi" di
un nucleo atomico.
Dal 1982 lesistenza e le proprietà di questi tre tipi di particelle mediatrici o bosoni vettori, sono state definitivamente stabilite sperimentalmente. I fisici ritengono che anche la forza gravitazionale abbia una particella associata, il gravitone ma la sua esistenza non è stata ancora provata. Lintrinseca debolezza della gravità rende infatti la sua ricerca unimpresa. I calcoli teorici indicano che il gravitone dovrebbe essere privo di massa, come il fotone e il gluone, che in questo si differenziano dai bosoni W e Z. la cui massa è invece 80 volte quella del protone.
Domani: la Teoria del Tutto
Tutte le leggi della creazione descritte da una sola teoria? I fisici ne sono convinti, e la cercano fin dai tempi di Einstein.
Perché le forze fondamentali sono proprio quattro? Perché non cinque o tre, o piuttosto una sola? Perché le loro intensità sono così diverse? E perché hanno proprio quei valori?
Non si tratta di domande filosofiche: luniverso sarebbe un posto ben diverso se le forze fossero anche di poco differenti.
Per esempio. lesistenza di nuclei atomici stabili si fonda sul delicato equilibrio tra forza elettromagnetica e forte: i protoni del nucleo si respingono elettricamente, ma la forza forte che attrae tra loro i quark che li costituiscono bilancia questa repulsione.
IL PRIMO
SUCCESSO
Al tempo di Einstein. la forza
debole e quella forte non erano ancora state scoperte ma egli
trovava già insopportabile lesistenza di due forze
distinte, gravità ed elettromagnetismo. Si mise così alla
ricerca di una "teoria del campo unificato", una relazione matematica capace di
descriverle entrambe dimostrando che erano manifestazioni di
ununica forza come elettricità e magnetismo.
Einstein dedicò a questo progetto alcuni decenni, infruttuosamente. Nel frattempo furono scoperte le altre due forze, il che rese ancor più difficile limpresa. Verso la fine degli anni 60 però. gli americani Steven Weinberg, Sheldon L. Glashow e il pakistano Abdus Salam idearono un modello matematico che descriveva la forza elettromagnetica e quella debole come aspetti di ununica "forza elettrodebole".
Ma comè possibile che forze
dintensità tanto diversa possano assumere la stessa forma?
In realtà lintensità effettiva delle forze non è
costante in assoluto, ma cambia in funzione della temperatura
dellambiente in cui agiscono.
Lintensità della forza debole e di quella elettromagnetica
variano allaumentare della temperatura fino a diventare
simili verso il milione di miliardi di gradi (corrispondente
a unenergia di 100 miliardi di elettronvolt). E a
quel punto che le due forze si combinano nellunica forza
elettrodebole.
LA GRANDE
UNIFICAZIONE
Al crescere ulteriore della
temperatura anche la forza nucleare forte sì indebolisce
avvicinandosi per intensità a quella elettrodebole. Ma per
osservarne lunificazione bisognerebbe raggiungere la
fantastica temperatura di 10 miliardi di miliardi di miliardi
di gradi.
Questo non toglie che molti fisici siano tuttora convinti di essere sulla strada giusta. Ancora qualche modifica e la Teoria di grande unificazione (GUT), proposta nella sua prima formulazione nel 1973, descriverà anche la forza forte: tre su quattro.
Lultima forza rimasta. la gravità, continua però a sfuggire allunificazione. Infatti, nel momento in cui si usa la GUT per calcolare alcune proprietà che dovrebbero potersi misurare sperimentalmente si ottengono valori infinitamente grandi anziché numeri sensati.
LE SUPER CORDE
Nel 1984 Edward Witten, Michael
Green e John Schwarz proposero però una nuova teoria fisica, la
cui potenza risiede nel concetto di "corda".
Secondo questa teoria, se potessimo esaminare le particelle fondamentali - come quark ed elettroni - con un "ingrandimento" centomila miliardi di volte maggiore di quello che ci è permesso dalle tecnologie attuali scopriremmo che esse non sono palline ma minuscole linee o anelli sottilissimi.
La teoria afferma che le proprietà delle
particelle osservate - comprese quelle che veicolano le forze -
sono il riflesso dei vari modi in cui queste microscopiche
stringhe possono vibrare, come corde di una chitarra. Anziché
produrre note musicali, però. ciascuna delle possibili
vibrazioni ci appare come una diversa particella.
Così lelettrone è una corda che vibra in un certo I modo,
il quark down una corda che vibra in un altro modo, il fotone una
corda che vibra in un altro modo ancora, e così via. Le
interazioni tra particelle diventano allora fusioni e scissioni
di corde
UNA SPIEGAZIONE
PER TUTTO
Tutto troppo pittoresco?
Forse, ma la sostituzione delle particelle puntiformi con corde
è ciò che ha permesso di trovare un punto idi contatto tra la
gravità e le altre forze.
Uneventualità che si presenta però vicino alla più alta
temperatura mai raggiunta in natura, quella del Big Bang. e non è dunque sperimentabile sulla Terra.
Nondimeno, un numero sempre maggiore di fisici e di matematici è
convinto che la teoria delle supercorde potrebbe fornire la
"spiegazione ultima" già ricercata da Einstein.
Partendo da un solo principio (cioè che tutto, a livello
microscopico. non è che una combinazione di corde vibranti) la
teoria fornisce infatti una cornice di riferimento entro cui
racchiudere tutte le forze e tutta la materia.
Semplificando al massimo, potremmo affermare che le particelle
sono le note prodotte dalle vibrazioni delle microscopiche corde.
E che luniverso è la musica che con queste note è stata
composta.
Per questa ragione la teoria delle supercorde è stata definita la migliore candidata al titolo di Teoria del tutto: la descrizione definitiva delle proprietà fondamentali delluniverso. Non che essa fornisca una risposta a qualsiasi interrogativo dal tempo che farà il prossimo fine settimana a chi vincerà il campionato di calcio. Ma dovrebbe finalmente spiegarci perché esistono i quark o gli elettroni e non altre particelle. In sostanza svelarci la struttura su cui è costruito il mondo intero.
SPAZI A
PIU DIMENSIONI
La teoria delle supercorde tuttavia
ha una struttura concettuale così profonda che siamo ancora ben
lontani dallaverne piena padronanza. La sua matematica è
così complicata che finora non se ne conoscono neppure le esatte
equazioni ma solo delle approssimazioni risolte parzialmente.
"La teoria potrà richiedere ancora decenni o addirittura secoli per essere completamente sviluppata e compresa" prevede Greene. Basti dire che uno dei suoi requisiti è che luniverso abbia un numero di dimensioni (a seconda delle formulazioni 10, 11 o 26) ben maggiore delle tre che vediamo. Dove sono allora queste dimensioni extra? Secondo gli scienziati sarebbero rimaste intrappolate nel finissimo tessuto spazio-temporale delluniverso e non si sono potute espandere, cosicché la loro i esistenza è per noi impercettibile. Perché questo sia avvenuto è però ancora un mistero.
Se la teoria delle supercorde è corretta,
il microscopico tessuto del nostro universo è dunque un
labirinto multidimensionale intrecciato. allinterno del
quale le corde vibrano e si attorcigliano senza posa. Lontano
dallessere dettagli accidentali, le proprietà dei mattoni
elementari della natura sarebbero invece profondamente legate al
tessuto dello spazio-tempo.
A distanza di mezzo secolo, il sogno di Einstein di una teoria unitaria sembra oggi vicino a
realizzarsi.