forze fondamentali

La fisica descrive i fenomeni naturali con equazioni e leggi basate principalmente sulle quattro forze fondamentali della natura conosciute finora. Queste sono capaci di descrivere abbastanza bene (ma non completamente) il comportamento della materia al livello macroscopico e microscopico, dalla meccanica classica fino alla fisica quantistica: parliamo di gravità, forza nucleare debole, elettromagnetismo e forza nucleare forte, classificate qui dalla più debole alla più intensa. Queste forze si definiscono anche interazioni fondamentali perché agiscono in coppia. Per il terzo principio della dinamica, infatti, ad ogni reazione esiste una reazione uguale e contraria.
Ma vediamo in dettaglio queste quattro forze, le loro differenze e similarità, e cerchiamo di far chiarezza su una possibile quinta forza della natura che questo secolo potrebbe svelarci.

Forza gravitazionale

La prima forza della quale parliamo è quella meno intensa: la forza gravitazionale. A livello macroscopico, questa forza definisce l'attrazione fra masse regola la struttura dell'universo anche a grandissima distanza. Questa forza è sempre attrattiva, ovvero non esistono masse negative. A livello microscopico, invece, questa forza diventa trascurabile rispetto alle altre forze. Per la forza di gravità non è ancora stato scoperto il "portatore" che gestisce lo scambio di informazioni fra le masse, il cosiddetto gravitone. Per questo motivo non viene inglobata in quello che viene chiamato Modello Standard, una teoria che cerca di raggruppare e ordinare tutte le particelle elementari. Questa forza fu enunciata da Isaac Newton nel 1687 e secondo Einstein la gravità deforma lo spazio, come descritto dalla relatività generale.

gravità sistema solare

Forza nucleare debole

La forza nucleare debole è responsabile della radioattività, dei decadimenti nucleari e delle reazioni nucleari che producono radiazione nelle stelle. Il suo raggio di azione è ridotto rispetto alla precedente, si parla di effetti visibili solo a scale subatomiche. La sua intensità è inferiore rispetto alla forza elettromagnetica (che vedremo a breve), ma superiore rispetto a quella di gravità. Questa forza fu descritta da Enrico Fermi negli anni Trenta in seguito all'osservazione del decadimento di un neutrone in un protone, un elettrone e un neutrino. I bosoni W e Z sono i responsabili della forza debole e furono scoperti da Carlo Rubbia e Simon van der Meer nel 1983.

Forza elettromagnetica

La forza elettromagnetica è la seconda forza della natura più intensa ed è quella che dà forma alla materia, definisce le proprietà chimiche e la struttura delle molecole, grazie al concetto di carica elettrica. In passato il comportamento elettrico e quello magnetico degli oggetti venivano considerati fenomeni distinti. Col tempo si è capito che la forza elettrica, causata della presenza di cariche, e la forza magnetica, causata del movimento delle stesse, sono, in realtà, la stessa forza. Vennero quindi unificate nella forza elettromagnetica (EM), descritta dalle equazioni di Maxwell.
Il suo raggio di azione è infinito, come per la forza di gravità, ovvero i suoi effetti si possono vedere anche a grandi distanze, mentre la sua intensità è maggiore rispetto alla forza precedente.

La luce è una delle manifestazioni del campo elettromagnetico e i fotoni sono i "messaggeri" di questa forza. Assieme alle forze successive, fa parte del Modello Standard.

atomo illustrazione

Forza nucleare forte

La forza più potente fra tutte è la forza nucleare forte, come si intuisce dal nome. Questa forza tiene insieme i protoni (carichi positivamente) e i neutroni (neutri appunto) del nucleo atomico, addensati in pochissimo spazio. A scala inferiore, questa forza definisce anche la relazione fra le particelle elementari, chiamate quark, che costituiscono protoni e neutroni. I gluoni sono le particelle elementari responsabili di questo tipo di interazione e sono caratterizzati da una carica, chiamata carica di colore, di natura diversa rispetto alla carica elettrica. Questa forza fu originariamente ipotizzata da Ettore Maiorana, famoso fisico dei "ragazzi di via Panisperna" assieme a Enrico Fermi.

protone
in foto: Jacek rybak, CC BY–SA 4.0, via Wikimedia Commons

Unificazione delle forze

Nel corso della storia vi furono diverse unificazioni. Dapprima Newton cercò di unificare la gravità terrestre con quella celeste, poi Faraday e Maxwell unificarono la forza elettrica e magnetica. Successivamente si identificarono delle somiglianze fra la forza elettromagnetica e quella debole ad energie molto elevate, in quella che oggi viene chiamata interazione elettrodebole.
La teoria del campo unificato di Einstein prevede, infatti, la possibilità che due forze, all'apparenza diverse, si possano unificare ad alta temperatura. Forse, anche l'unificazione fra interazione elettrodebole e forte sarà possibile con l'aiuto della fisica moderna! Ma il comportamento della materia non è completamente descritto da queste quattro forze.

Quinta forza della natura

A scala subatomica si sono verificate diverse anomalie, non spiegabili con le quattro forze descritte finora. Queste anomalie del Modello Standard riguardano, ad esempio, il comportamento dei muoni nell'esperimento LHCb al CERN, il nucleo dell'elio eccitato e il decadimento radioattivo di un isotopo del berilio. Le ricerche continuano e ci auguriamo che nuove scoperte possano arricchire nei prossimi anni il Modello Standard e le nostre conoscenze!

Articolo a cura di
Elena Buratin