Introduzione
La materia è una grandezza fisicamente osservabile, che si ritrova nell'universo sottoforma
solida, liquida o gassosa o sotto altre forme più rare sulla Terra ma molto comuni nell'universo
come il plasma . La materia, è noto, è costituita da alcune componenti sempre più piccole:
prima le molecole, poi gli atomi , con elettroni , protoni e neutroni , e gli elementi quantistici.
Le interazioni tra questi elementi, costituenti della materia, sono regolate da quattro forze
che ipotizziamo sempre valide in qualsiasi punto dell'universo. Può sembrare una ipotesi molto
forte, ma del resto a pensarci bene non lo è. Abbiamo imparato che la Terra, di per sé, non ha
nulla di speciale rispetto ad altri pianeti che possono esistere nella nostra Galassia, che del
resto non ha nulla di particolare rispetto alle altre galassie . Visto che di particolare non c'è
niente, ne segue che non c'è motivo per il quale le leggi fisiche che valgono da noi non siano
valide altrove. Del resto, fin dove l'occhio umano è potuto arrivare, il riscontro è stato
positivo.
Scrollato di dosso questo dubbio, possiamo affermare che le forze che regolano le interazioni
sono la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza nucleare forte e la forza
nucleare debole.
A dire il vero, l'evoluzione dell'universo sta spingendo verso l'ipotesi che esista una quinta
forza in grado di opporsi alla gravità. Il motivo sta nel fatto che l'universo si sta espandendo
in maniera accelerata, mentre le masse - esercitando attrazione gravitazionale - dovrebbero
indurre perlomeno ad una riduzione della velocità.
Forza Gravitazionale
La forza gravitazionale fu introdotta da Newton a livello teorico con la Legge di Gravitazione
Universale, per la quale due corpi si attraggono in maniera direttamente proporzionale
rispetto alle loro masse ed inversamente proporzionale rispetto al quadrato della loro
distanza.
Newton non seppe spiegare il motivo per il quale questa forza, che tra
le quattro è la più debole, riesce ad influenzare un altro corpo senza
toccarlo, ma a questo penso Einstein parlando di universo curvato dalle
masse. Anche nella legge di Newton, il rapporto tra i fattori che
influenzano la gravità (masse e quadrato della distanza) è moltiplicato
per una costante G (detta costante gravitazionale) che, calcolata in via
sperimentale, è fissa in ogni punto dell'universo, proprio per l'ipotesi avanzata come
preambolo. La forza gravitazionale si manifesta sempre come forza attrattiva: i due corpi
non si respingono mai a causa della gravità ma tendono sempre ad unirsi.
Forza Elettromagnetica
A lungo si è ipotizzato che elettricità e magnetismo fossero forze
separate, e fu Maxwell a capire che in realtà sono due diversi
aspetti di un'unica forza che è la forza elettromagnetica.
Questa forza fu scoperta nell'Ottocento ed è tale per cui due
cariche elettriche si attraggono o si respingono con una forza
1
direttamente proporzionale al prodotto delle loro cariche ed inversamente proporzionale al
quadrato della loro distanza. Attrazione o repulsione dipendono dal segno della carica: due
cariche con lo stesso segno si respingono, mentre due cariche con segno diverso si attraggono.
Inoltre, una corrente elettrica produce un campo magnetico, così come un campo magnetico
produce una corrente in un conduttore (e qui sta il legame tra le due forze, tale per cui sono
esprimibili come diversi aspetti di una forza unica).
Forza Nucleare Forte
La forza nucleare forte è quella che riesce a tenere uniti, in un
nucleo atomico, più protoni.
I protoni, con carica positiva, dovrebbero respingersi a causa della
forza elettromagnetica ed invece restano nello stesso nucleo. Dal
momento che questi protoni sono dotati di massa, si potrebbe
pensare che se restano uniti è perché l'attrazione gravitazionale
dovuta alla loro massa è più forte rispetto alla repulsione elettrica cui sono soggetti, ed
invece la gravità è inferiore di 10-39 volte rispetto alla repulsione. Questa forza che riesce a
fare da collante è la forza nucleare forte, ma c'è un limite che è scritto proprio nel suo
nome: nucleare. Infatti, questa forza si esercita esclusivamente a distanze che non superano
il raggio di un nucleo atomico, cioè 10-13 centimetri.
Forza Nucleare Debole
La forza nucleare debole, o interazione debole, è la responsabile del decadimento beta dei
nuclei atomici, associato alla loro radioattività, per il quale un neutrone
si trasforma in un protone o viceversa, con emissione di elettroni
(radiazione beta) e neutrini .
In pratica, il nucleo mantiene la stessa massa ma la carica cresce di una
unità dando vita all'elemento successivo con riferimento alla tabella
degli elementi di Mendeleyev, dal momento che è la carica del nucleo a
determinare le caratteristiche chimiche di un elemento. Se ad essere
emesso non è un elettrone ma un positrone (equivalente dell'elettrone ma con carica positiva
anziché negativa), il nucleo dà vita all'elemento che nella tabella di Mendeleyev lo precede.
L'elettrone o il positrone che vengono emessi non hanno una energia tale da compensare la
differenza tra l'energia che il nucleo aveva prima del decadimento e quella che ha dopo. In
pratica, il nucleo ha perso più energia rispetto a quella dell'elettrone (o positrone) espulso. Il
principio di conservazione dell'energia ci dice che da qualche parte l'energia deve essere
andata, sfruttando qualcosa che abbia una massa quasi nulla. Pauli e Fermi scoprirono che
questa particella che viene espulsa insieme all'elettrone è il neutrino.
2