Interazioni fondamentali

In natura sono state individuate quattro forze fondamentali, o interazioni fondamentali, che sono alla base degli scambi di energia tra le particelle e che sono responsabili della struttura dell'Universo

Le interazioni sono descritte attraverso lo scambio di una o più particelle mediatrici di forza che sono chiamati: bosoni di gauge, mediatori oppure quanti del campo di interazione e sono dei bosoni (ovvero hanno spin intero) vettori (ovvero hanno spin = 1, a parte il gravitone che dovrebbe avere spin = 2). Queste particelle, trasportatrici dell'energia dell'interazione, vengono emesse e riassorbite dalle particelle interagenti.

In particolare, la particella mediatrice della forza gravitazionale, il gravitone, è stata finora ipotizzata ma non ancora rilevata da nessun esperimento.

Il raggio d'azione e l'intensità sono i due tratti più caratteristici di ciascuna interazione.

Semplificando, il raggio d'azione di un'interazione può essere pensato come la distanza massima alla quale essa è influente. Ad esempio l'interazione gravitazionale ha un raggio d'azione infinito; per questo motivo il Sole esercita la sua forza anche su corpi lontanissimi come Plutone, e qualunque atomo dell'universo esercita una forza, seppur minima, su ogni altro atomo dell'universo. Anche l'interazione elettromagnetica ha raggio d'azione infinito, mentre interazione forte ed interazione debole hanno raggi d'azione finiti (e particolarmente piccoli, se raffrontati con le scale umane).

L'intensità fornisce una misura dei rapporti di forza tra le interazioni di diversa natura.

Gli esperimenti hanno dimostrato 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).

Interazione gravitazionale

La gravità è la più debole delle quattro forze, ma è quella a noi più familiare nella vita quotidiana e fu la prima a essere studiata scientificamente.
Le proprietà dell'interazione gravitazionale si possono riassumere come segue: Tutti i corpi si attraggono con una forza proporzionale alle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Tale forza giace sulla linea congiungente i due corpi ed e' quindi un vettore.

In qualsiasi pezzo di materia la gravità di tutte le singole particelle che lo compongono, si somma. Non esiste per la gravità una cancellazione come quella fra le cariche elettriche positive e negative in un atomo. Quindi anche se molto minore di intesità delle altre forze, a livello macroscopico la gravità, proprio per la sua addittività, produce effetti molto grandi.

Il raggio d'azione della gravità è infinito come quello dell'elettromagnetismo, e come accade per l'interazione elettromagnetica, l'intensità dell'interazione gravitazionale diminuisce all'aumentare della distanza tra i corpi interagenti.
La gravità è chiaramente un'interazione fondamentale della natura, ma la teoria del Modello Standard non è ancora in grado di spiegarla e di inserirla in modo soddisfacente in un quadro completo delle quattro interazioni fondamentali. Questo è uno dei principali problemi aperti della fisica moderna. Inoltre il mediatore della gravità, per il quale si fa l'ipotesi che si tratti di una particella di massa nulla (il gravitone), non è stato ancora sperimentalmente osservato.

Interazione elettromagnetica

L'interazione elettromagnetica è alla base di tutto i fenomeni elettrici e magnetici, e poiché elettricità e magnetismo sono inseparabili, possiamo parlare in generale di fenomeni elettromagnetici ha come bosone vettore il fotone e ha raggio d'azione infinito ed intensità relativa di circa 10^-2. Nell'elettromagnetismo abbiamo due tipi di interazione: attrattiva e repulsiva, conseguente del tipo di carica positiva e negativa. Va fatto notare che la assegnazione del termine positivo e negativo è solo una convenzione. I fenomeni elettromagnetici sono oramai parte integrante della nostra vita: se oggi venisse a mancare l'energia elettrica saremo in guai seri. Gli atomi sono composti da protoni e neutroni nel nucleo ed elettroni orbitanti. I protoni e gli elettroni hanno cariche elettriche opposte per cui gli atomi sono elettricamente neutri. Quello che permette ai vari atomi di legarsi insieme per formare le molecole, e poi ancor più molecole per gli amminoacidi, e poi sostanze sempre più complesse, è la forza elettromagnetica residua, dovuta all'interazione degli atomi con i loro vicini.

Interazione forte

L'interazione forte avviene tra i quark ed è mediata dai gluoni. Essa rende possibile l'esistenza del nucleo atomico. Considerato il nucleo di un atomo qualsiasi, esso sarà composto da un numero di protoni pari al numero atomico e da un numero di neutroni pari al numero di massa meno il numero di protoni.

Essendo i protoni carichi positivamente (carica: +|-e|, con e carica elettrica negativa dell'elettrone), se sono presenti, in uno stesso nucleo, due o più protoni, questi tenderanno a respingersi per azione della forza elettromagnetica repulsiva che si instaura tra corpi elettricamente carichi con carica elettrica dello stesso segno. Un nucleo in cui agisse solo la forza elettromagnetica sarebbe destinato ad essere distrutto da queste forze repulsive. L'azione di allontanamento operata dai neutroni, elettricamente neutri, è comunque limitata. Il fatto che il nucleo continui ad esistere è dovuto all'azione attrattiva operata dalla forza nucleare forte, che è il residuo a protoni e neutroni della interazione forte tra quark costituenti. I gluoni svolgono un'azione 'collante' (da cui il nome: glue = colla) tra i quark che compongono i nucleoni. L'intensità dell'interazione forte aumenta all'aumentare della distanza delle particelle interagenti (i quark in un barione o in un mesone) ma il raggio d'azione dell'interazione forte è estremamente piccolo, sufficiente per garantire l'integrità dei nuclei atomici, circa 1 fm (10 ^-15 m). La forza nucleare forte fu originariamente ipotizzata da Enrico Fermi.

Interazione debole

L'interazione debole, (a volte chiamata anche forza debole o forza nucleare debole per ragioni storiche) è una delle quattro interazioni fondamentali della natura, secondo i modelli descritti dalla moderna fisica subnucleare.

La forza debole è quella che si discosta di più dalla nozione di forza della nostra esperienza quotidiana. L'interazione debole non contribuisce tanto alla coesione della materia quanto alla sua trasformazione.

La forza debole è la responsabile del decadimento beta dei nuclei atomici, associato alla radioattività, per il quale un neutrone si trasforma in un protone o viceversa, con l'emissione di elettroni (radiazione beta) e neutrini. Tale processo è alla base del fenomeno della radioattività di alcuni atomi come l'Uranio 238.

La debole intensità dell'interazione debole fa sì che i decadimenti in cui è coinvolta siano più lenti di quelli elettromagnetici (che hanno tempi tipici di decadimento dell'ordine di 10^-16 secondi) o di quelli relativi all'interazione forte (con tempi di decadimento dell'ordine di 10^-23 secondi).

Unificazione delle forze

Nel 1875, Maxwell per la prima volta riconosce che due forze della natura apparentemente diverse, la forza magnetica e la forza elettrica, sono in realtà manifestazioni della stessa interazione fondamentale. Il capolavoro di Maxwell è la formulazione delle 4 equazioni (oggi note appunto come equazioni di Maxwell) che descrivono in maniera unitaria e completa tutti i fenomeni elettromagnetici (ad esempio: l'attrazione fra due calamite e la propagazione della luce nel cosmo).

Allo stesso modo nel XX secolo si è scoperto che anche l'interazione elettromagnetica e la forza nucleare debole erano due manifestazioni di un'unica interazione, che prese il nome di interazione elettro-debole.

Allo stato attuale delle ricerche, esiste una teoria, nota come Modello Standard, che descrive in modo unitario l'interazione nucleare forte e l'interazione elettro-debole. Il Modello Standard ha ottenuto numerose verifiche sperimentali, anche grazie, tra l'altro, al lavoro del fisico italiano Carlo Rubbia

Il grande obiettivo della fisica teorica contemporanea è ora quello di integrare l'interazione gravitazionale con le altre, ossia la Relatività Generale con il Modello Standard.

La nuova generazione di macchine acceleratrici dovrebbe consentire di validare il Modello Standard anche per le interazioni forti

Secondo le moderne teorie di unificazione (ad esempio, la teoria delle stringhe), ad alti livelli energetici (e quindi ad alte temperature) le quattro forze fondamentali si fondono in una sola. Queste condizioni di energia elevata sono proprio previste per i primi istanti dell'Universo: quando questo aveva una età minore di 10 ^{− 43} secondi, le quattro interazioni non erano distinte tra di loro. Con il diminuire della densità, la forza di gravità si separò dalle altre tre. Dopo secondi tutte le quattro forze erano separate.

Interazione elettromagnetica

È stata compresa a fondo solo nella seconda metà del 1800 da Maxwell, che unificò i fenomeni elettrici e magnetici in 4 equazioni. Tali equazioni sono le cosiddette "equazioni di Maxwell", che descrivono la propagazione del campo elettromagnetico e costituiscono il nucleo della teoria dell'elettromagnetismo.

Le premesse sperimentali

Alla base della teoria formulata da Maxwell stanno le osservazioni sperimentali dello stretto rapporto fra fenomeni elettrici e magnetici effettuate nella prima metà del XIX secolo: in particolare, la scoperta che un conduttore elettrico percorso da corrente genera un campo magnetico, ottenuta dal danese Hans Christian Ørsted nel 1820; l'approfondimento dei legami fra correnti e magneti, a opera di André-Marie Ampère, che spiegò come i magneti permanenti dovessero la loro proprietà alle correnti permanenti circolanti negli atomi e nelle molecole; i risultati di Michael Faraday, che mostrò il verificarsi dell'induzione elettromagnetica e definì il concetto di "linea di forza", essenziale al fine della formulazione della teoria maxwelliana e della definizione di campo di forze.

L'importanza della teoria di Maxwell risiede non solo nel fatto di aver dato un'unica, coerente struttura teorica ai fenomeni dinamici elettrici e magnetici, ma soprattutto nella possibilità di derivare dal medesimo sistema di equazioni tutte le manifestazioni elettriche e magnetiche in condizioni statiche e nel riuscire a spiegare le conseguenze e i diversi aspetti assunti dai fenomeni elettromagnetici nei mezzi dielettrici.

Le equazioni DI Maxwell

Utilizzando le equazioni di Maxwell è possibile valutare l'intensità del campo elettrico e magnetico in qualsiasi punto dello spazio, partendo solamente dalla conoscenza locale (ovvero in un punto specificato dello spazio) delle sorgenti e della variazione temporale dei campi stessi. La formulazione più nota (forma differenziale) delle equazioni di Maxwell. Ciascuna equazione ha un significato fisico ben preciso, e si riconduce a fenomeni osservati sperimentalmente:

1.

La prima equazione esprime il fatto che le sorgenti del campo elettrico statico sono appunto le cariche elettriche: in forma integrale, significa che il flusso del campo elettrico (si pensi alle linee di forza) uscente da una superficie chiusa è proporzionale alla quantità di carica elettrica in esso contenuta.

2.  

La seconda equazione esprime in forma differenziale la legge dell'induzione elettromagnetica, ovvero che la variazione del flusso di induzione magnetica B concatenata a un circuito elettrico genera nel circuito una forza elettromotrice, la quale, a sua volta, induce una corrente che scorre in verso tale da generare un flusso di B che si oppone alla variazione originaria. La relazione è nota come legge di Faraday-Neumann-Lenz.

3.

La terza equazione esprime invece il fatto che per il campo magnetico non esistono cariche magnetiche isolate, ma le sorgenti di campo magnetico sono i dipoli, una coppia di polo magnetico positivo e negativo. Dal punto di vista integrale, se si circonda con una superficie chiusa un dipolo magnetico, il flusso del campo attraverso la superficie è nullo, il che significa che le linee del campo magnetico si chiudono sui due poli della sorgente.

4:

Infine la quarta equazione esprime il fatto che la circuitazione (ovvero un integrale di linea effettuato su un percorso chiuso) di  lungo una linea concatenata a un circuito è proporzionale all'intensità della corrente che scorre nel circuito. La quarta equazione prende anche il nome di legge di Ampère: essa infatti evidenzia l'equivalenza fra una spira percorsa da corrente e una sorgente magnetica, ago o dipolo. La presenza in questa equazione del termine di variazione del flusso di induzione elettrica concatenato al circuito è l'idea originale e geniale di Maxwell, che riconobbe nelle variazioni del campo elettrico la cosiddetta "corrente di spostamento", sorgente del campo magnetico in tutto assimilabile alla corrente di conduzione.

Seconda e quarta equazione esprimono la natura inscindibile di campo elettrico e campo magnetico, per cui la variazione di uno è sorgente dell'altro, e di conseguenza introducono il concetto di campo elettromagnetico come entità unica.

Il campo elettromagnetico

Le equazioni di Maxwell mostrano che il campo elettromagnetico si propaga in forma di onde, le onde elettromagnetiche appunto, con velocità pari a 1/√eµ. Nel vuoto, tale velocità corrisponde a quella di propagazione della luce: è partendo da questa osservazione che Maxwell riuscì a interpretare la luce come una delle manifestazioni del campo elettromagnetico. Per confermare la teoria di Maxwell si dovette attendere circa vent'anni, quando il fisico tedesco Heinrich Rudolf Hertz riuscì a mostrare la reale esistenza delle onde elettromagnetiche, generandole con oscillatori elettronici (dipoli metallici lineari alimentati da corrente di altissima frequenza) e rivelandoli con circuiti elettrici risonanti.