Le quattro forze fondamentali della Natura

Dal camminare per strada, al lancio di un razzo nello spazio, all’attaccare un magnete sul tuo frigorifero, le forze fisiche agiscono intorno a noi. Ma tutte le forze che sperimentiamo ogni giorno (e molte che non ci rendiamo conto di sperimentare ogni giorno) possono essere ridotte a sole quattro forze fondamentali:

1. Gravità.
2. La forza debole.
3. Elettromagnetismo.
4. La forza forte.

Queste sono chiamate le quattro forze fondamentali della natura e governano tutto ciò che accade nell’universo.,

Gravità

La gravità è l’attrazione tra due oggetti che hanno massa o energia, se questo è visto nel far cadere una roccia da un ponte, un pianeta in orbita attorno a una stella o la luna causando maree oceaniche. La gravità è probabilmente la più intuitiva e familiare delle forze fondamentali, ma è stata anche una delle più difficili da spiegare.

Isaac Newton fu il primo a proporre l’idea della gravità, presumibilmente ispirata da una mela caduta da un albero. Ha descritto la gravità come un’attrazione letterale tra due oggetti., Secoli dopo, Albert Einstein suggerì, attraverso la sua teoria della relatività generale, che la gravità non è un’attrazione o una forza. Invece, è una conseguenza degli oggetti che piegano lo spazio-tempo. Un oggetto di grandi dimensioni lavora sullo spazio-tempo un po ‘ come una grande palla posta al centro di un foglio influenza quel materiale, deformandolo e causando altri oggetti più piccoli sul foglio a cadere verso il centro.

Sebbene la gravità tenga insieme pianeti, stelle, sistemi solari e persino galassie, risulta essere la più debole delle forze fondamentali, specialmente a livello molecolare e atomico., Pensala in questo modo: quanto è difficile sollevare una palla da terra? O per sollevare il piede? O per saltare? Tutte queste azioni stanno contrastando la gravità dell’intera Terra. E a livello molecolare e atomico, la gravità non ha quasi alcun effetto rispetto alle altre forze fondamentali.

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La forza debole

La forza debole, chiamata anche interazione nucleare debole, è responsabile del decadimento delle particelle. Questo è il cambiamento letterale di un tipo di particella subatomica in un altro., Quindi, per esempio, un neutrino che si allontana vicino a un neutrone può trasformare il neutrone in un protone mentre il neutrino diventa un elettrone.

I fisici descrivono questa interazione attraverso lo scambio di particelle che trasportano 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 arrivano entro 10 ^ -18 metri, o lo 0,1% del diametro di un protone, l’una dall’altra, possono scambiare questi bosoni., Di conseguenza, le particelle subatomiche decadono in nuove particelle, secondo il sito Web HyperPhysics della Georgia State University.

La forza debole è fondamentale per le reazioni di fusione nucleare che alimentano il sole e producono l’energia necessaria per la maggior parte delle forme di vita qui sulla Terra. È anche il motivo per cui gli archeologi possono utilizzare il carbonio-14 per datare ossa antiche, legno e altri manufatti precedentemente viventi. Il carbonio-14 ha sei protoni e otto neutroni; uno di questi neutroni decade in un protone per produrre azoto-14, che ha sette protoni e sette neutroni., Questo decadimento avviene a un ritmo prevedibile, consentendo agli scienziati di determinare quanti anni sono tali artefatti.

Forza elettromagnetica

La forza elettromagnetica, chiamata anche forza di Lorentz, agisce tra particelle cariche, come elettroni caricati negativamente e protoni caricati positivamente. Cariche opposte si attraggono, mentre cariche simili si respingono. Maggiore è la carica, maggiore è la forza. E proprio come la gravità, questa forza può essere percepita da una distanza infinita (anche se la forza sarebbe molto, molto piccola a quella distanza).,

Come indica il suo nome, la forza elettromagnetica consiste di due parti: la forza elettrica e la forza magnetica. All’inizio, i fisici descrissero queste forze come separate l’una dall’altra, ma i ricercatori in seguito si resero conto che le due sono componenti della stessa forza.

Il componente elettrico agisce tra particelle cariche sia che siano in movimento o stazionarie, creando un campo attraverso il quale le cariche possono influenzarsi a vicenda. Ma una volta messo in moto, quelle particelle cariche iniziano a visualizzare il secondo componente, la forza magnetica., Le particelle creano un campo magnetico intorno a loro mentre si muovono. Così, quando gli elettroni zoom attraverso un filo per caricare il computer o il telefono o accendere il televisore, per esempio, il filo diventa magnetico.

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Le forze elettromagnetiche vengono trasferite tra particelle cariche attraverso lo scambio di bosoni senza massa e portatori di forza chiamati fotoni, che sono anche i componenti delle particelle della luce. I fotoni che trasportano forza che si scambiano tra particelle cariche, tuttavia, sono una manifestazione diversa dei fotoni., Sono virtuali e non rilevabili, anche se sono tecnicamente le stesse particelle della versione reale e rilevabile, secondo l’Università del Tennessee, Knoxville.

La forza elettromagnetica è responsabile di alcuni dei fenomeni più comunemente sperimentati: attrito, elasticità, la forza normale e la forza che tiene insieme i solidi in una data forma. È anche responsabile della resistenza che uccelli, aerei e persino Superman sperimentano durante il volo. Queste azioni possono verificarsi a causa di particelle cariche (o neutralizzate) che interagiscono tra loro., La forza normale che mantiene un libro sopra un tavolo (invece della gravità che tira il libro fino a terra), ad esempio, è una conseguenza degli elettroni negli atomi del tavolo che respingono gli elettroni negli atomi del libro.

La forza nucleare forte

La forza nucleare forte, chiamata anche la forte interazione nucleare, è la più forte delle quattro forze fondamentali della natura. Sono 6 mila trilioni di trilioni di trilioni (sono 39 zeri dopo 6!) volte più forte della forza di gravità, secondo il sito web HyperPhysics. E questo perché lega le particelle fondamentali della materia insieme per formare particelle più grandi., Tiene insieme i quark che costituiscono protoni e neutroni, e parte della forza forte mantiene insieme anche i protoni e i neutroni del nucleo di un atomo.

Proprio come la forza debole, la forza forte funziona solo quando le particelle subatomiche sono estremamente vicine l’una all’altra. Devono essere da qualche parte entro 10^-15 metri l’uno dall’altro, o approssimativamente entro il diametro di un protone, secondo il sito Web di HyperPhysics.

La forza forte è strana, però, perché a differenza di qualsiasi altra forza fondamentale, diventa più debole quando le particelle subatomiche si avvicinano., In realtà raggiunge la massima resistenza quando le particelle sono più lontane l’una dall’altra, secondo Fermilab. Una volta nel raggio d’azione, i bosoni carichi senza massa chiamati gluoni trasmettono la forza forte tra i quark e li tengono “incollati” insieme. Una piccola frazione 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 simile, ma la forza forte residua può superare questa repulsione, quindi le particelle rimangono legate nel nucleo di un atomo.,

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Unificare la natura

La questione in sospeso delle quattro forze fondamentali è se siano effettivamente manifestazioni di una sola grande forza dell’universo. Se è così, ognuno di loro dovrebbe essere in grado di fondersi con gli altri, e ci sono già prove che possono.,

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 il concetto di forza elettrodebole. I fisici che lavorano per trovare una cosiddetta grande teoria unificata mirano a unire la forza elettrodebole con la forza forte per definire una forza elettronucleare, che i modelli hanno previsto ma i ricercatori non hanno ancora osservato., L’ultimo pezzo del puzzle richiederebbe quindi l’unificazione della gravità con la forza elettronucleare per sviluppare la cosiddetta teoria del tutto, un quadro teorico che potrebbe spiegare l’intero universo.

I fisici, tuttavia, hanno trovato piuttosto difficile fondere il mondo microscopico con quello macroscopico. A scale grandi e soprattutto astronomiche, la gravità domina ed è meglio descritta dalla teoria della relatività generale di Einstein. Ma a scale molecolari, atomiche o subatomiche, la meccanica quantistica descrive al meglio il mondo naturale., E finora, nessuno ha escogitato un buon modo per unire questi due mondi.

I fisici che studiano la gravità quantistica mirano a descrivere la forza in termini di mondo quantistico, che potrebbe aiutare con la fusione., Fondamentale per questo approccio sarebbe la scoperta dei gravitoni, il bosone teorico che trasporta la forza gravitazionale. La gravità è l’unica forza fondamentale che i fisici possono attualmente descrivere senza usare particelle che trasportano forza. Ma poiché le descrizioni di tutte le altre forze fondamentali richiedono particelle che trasportano forza, gli scienziati si aspettano che i gravitoni debbano esistere a livello subatomico-i ricercatori non hanno ancora trovato queste particelle.

A complicare ulteriormente la storia è il regno invisibile della materia oscura e dell’energia oscura, che costituiscono circa il 95% dell’universo., Non è chiaro se la materia oscura e l’energia siano costituite da una singola particella o da un intero insieme di particelle che hanno le loro forze e bosoni messaggeri.

La particella messaggero primaria di interesse corrente è il fotone oscuro teorico, che medierebbe le interazioni tra l’universo visibile e invisibile. Se esistono fotoni scuri, sarebbero la chiave per rilevare il mondo invisibile della materia oscura e potrebbero portare alla scoperta di una quinta forza fondamentale., Finora, però, non ci sono prove che i fotoni scuri esistano, e alcune ricerche hanno offerto forti prove che queste particelle non esistono.