Gravitazione: La forza che tiene insieme l'universo

Le forze fondamentali e l'unificazione delle forze

Le forze di cui abbiamo esperienza sono molto diverse le une dalle altre e sembrano di difficile classificazione: si può pensare alla forza di gravità, alla forza del vento che muove le onde del mare, alla forza muscolare, alla forza con cui una calamita attira oggetti di ferro, alle spaventose forze messe in gioco da un'esplosione termonucleare....

Un enorme successo della fisica è quello di essere riuscita a ridurre la complessità del problema, arrivando ad individuare poche forze fondamentali responsabili di tutti i processi che avvengono in natura: la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e quella nucleare forte.

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L'unificazione delle forze ha in realtà richiesto un lungo processo di secoli. La prima grande unificazione fu fatta da Isaac Newton alla fine del XVII secolo: Newton stabilisce che un'unica forza, la forza di gravitazione universale, è responsabile di fenomeni apparentemente tanto diversi come la caduta dei corpi sulla Terra e il moto dei pianeti intorno al Sole.

Nella seconda metà del XIX secolo, James Maxwell dimostrò che la forza elettrica che agisce su corpi carichi e la forza magnetica con cui una calamita attrae una sbarretta di ferro sono in realtà manifestazioni di un'unica forza, la forza elettromagnetica.

A partire dai primi anni del XX secolo, lo sviluppo sia teorico che sperimentale della fisica atomica e nucleare ha dimostrato l'esistenza di altre due forze fondamentali: la forza debole che interviene nei processi di decadimento radioattivo e la forza forte, responsabile della stabilità del nucleo atomico.

È storia recente l'unificazione della forza nucleare debole con la forza elettromagnetica (forza elettrodebole), prevista teoricamente da Steven Weinberg ed Abdus Salam negli anni '60 e dimostrata sperimentalmente da Carlo Rubbia nel 1984.

Attualmente la frontiera della ricerca fisica è il tentativo, ancora vano, di raggiungere l'ulteriore unificazione delle forze, per arrivare ad un'unica forza di cui tutte le altre siano una manifestazione particolare. Questa unica ipotetica forza, responsabile di tutti i fenomeni naturali, è detta supergravità.

FenomenoForzaIntensità relativaRaggio d'azioneCorpi coinvoltiUnificazione
Caduta dei gravi
Moti celesti
Gravitazionale10-39infinitoTuttiSupergravità
Interazione tra cariche elettriche
Orientamento con la bussola
Elettromagnetica10-2infinitoParticelle caricheForza elettrodeboleSupergravità
RadioattivitàNucleare deboleda 10-13 a 10-10meno di 10-17 mTutte meno il fotoneForza elettrodeboleSupergravità
Stabilità del nucleoNucleare forte110-15 mAdroniSupergravità

Come si vede dalla tabella, l'intensità della forza è massima per la nucleare forte: ponendo arbitrariamente questa forza uguale ad 1, la forza elettromagnetica ha una intensità 1/100 della forza forte, la nucleare debole oscilla tra valori comunque molto bassi, mentre la forza gravitazionale è di gran lunga la più debole di tutte le forze.

Per quanto riguarda il raggio d'azione, la forza gravitazionale e quella elettromagnetica fanno sentire i loro effetti a grandissima distanza (teoricamente infinita), mentre le forze nucleari hanno un piccolo raggio d'azione che, per la nucleare forte, è delle dimensioni del nucleo atomico e, per la nucleare debole, è ancora minore.

Infine, per quanto riguarda le particelle coinvolte, si passa dalla forza gravitazionale con selettività nulla poichè coinvolge tutti i tipi di particelle, alla nucleare forte che è la più selettiva in quanto coinvolge solo i cosiddetti adroni (protone, neutrone e mesoni).