E-school di Arrigo
Amadori
in collaborazione con :
Associazione Astrofili Cesenati
http://www.astrofilicesena.it/index.html
CORSO DI CULTURA SCIENTIFICA DI BASE
(1') incontro del 17/10/2003
resoconto
01 - Presentazione del corso.
I motivi che ci hanno spinto a questo corso e le linee guida secondo le quali si
svilupperà (vedi
argomenti previsti).
02 - Le 4 forze.
A tutt'oggi, in natura, sono conosciute 4 forze. Tramite la loro azione si
spiega un enorme numero
di fenomeni.
Questo non significa, però, che siamo in grado di spiegare "tutto".
Le ultime misure astronomiche,
per esempio,
ci mostrano un dato inaspettato : la materia e l'energia che conosciamo sarebbe solo
l' 1% della massa e dell'energia totale che costituiscono l'universo. Le nuove
forme di materia ed
energia che si stanno scoprendo e che per il momento sono avvolte nel mistero
(si chiamano
appunto materia ed energia oscura) probabilmente ci faranno cambiare completamente il
nostro
modo di comprendere l'universo.
Siamo forse all'alba di una vasta rivoluzione scientifica analoga a quella che
si ebbe fra '800 e '900
e che portò alla creazione della teoria della relatività e della meccanica
quantistica.
Comunque, le quattro forze note fino ad oggi sono (dalla più debole alla più
forte) :
la forza gravitazionale
la forza elettromagnetica
la forza nucleare debole
la forza nucleare forte
03 - La forza gravitazionale.
Tutti i corpi si attraggono gravitazionalmente. La forza gravitazionale è
sempre attrattiva ed è
molto debole. La terra ci attrae a sé ma anche i corpi della nostra esperienza
quotidiana si
attraggono gravitazionalmente fra loro, anche se noi non ce ne rendiamo conto perché questa
attrazione è molto debole.
Solo esperimenti molto accurati evidenziano tali deboli attrazioni.
La forza gravitazionale con cui due corpi si attirano raddoppia se una delle due
masse (la massa
è la "quantità di materia" di cui è formato un corpo) raddoppia,
triplica se una delle due masse
triplica ecc. : la forza di gravità si dice
allora che è proporzionale
alle masse dei corpi.
La forza gravitazionale con cui due corpi si attirano quadrupica se la distanza
fra le due masse
dimezza,
diventa nove volte tanto se la distanza diventa un terzo, oppure la forza
diventa un
quarto se la distanza
raddoppia, diventa un nono se la distanza triplica ecc. : la forza di gravità
si dice allora che è inversamente proporzionale al quadrato delle distanze fra i corpi.
Un'altra fondamentale caratteristica della gravitazione è che i corpi ad essa
soggetti vengono
accelerati da essa nello stesso modo, indipendentemente dalla loro massa . Ciò si può verificare
semplicemente facendo cadere due
corpi diversi da uguale altezza. Se facciamo in modo che
l'attrito dell'aria non disturbi
troppo l'esperimento,
si vedrà che i corpi cadono sul pavimento
nello stesso modo.
Questa particolarità della forza di gravitazione fu il punto di partenza da cui
Einstein elaborò
la sua teoria della relatività generale.
La forza gravitazionale fu studiata e descritta "scientificamente" per la prima
volta nella storia
dell'umanità dal grande fisico e matematico Isaac Newton nella seconda metà
del '600.
Egli intuì che la forza di gravitazione è universale, cioè ad essa sono
sottoposti tutti i corpi
che costituiscono l'universo, sia i corpi della nostra esperienza quotidiana qui
sulla terra che
i corpi celesti, stelle pianeti, satelliti ecc.
La teoria matematica che Newton propose per spiegare la gravità fu il primo
esempio di
creazione di una teoria unificatrice, cioè che unifica fenomeni che avvengono
ovunque
nell'universo.
Newton riuscì a spiegare con questa teoria come i corpi cadono sulla superficie
della terra,
come la luna
ruota attorno alla terra e come i pianeti ruotano attorno al sole e lo fece con la
stessa formula matematica.
Prima di Newton, già da un secolo, era avvenuta la rivoluzione copernicana. Si
era cioè
capito che la terra non sta al centro e gli altri corpi celesti le ruotano attorno, ma
è il sole
che sta al centro e gli altri pianeti gli ruotano attorno seguendo orbite ellittiche.
Però non si sapeva perché (dal punto di vista matematico) ciò avvenisse.
Newton trovò una
spiegazione matematica al modo che hanno i pianeti di girare attorno al sole
tramite appunto la
sua teoria della gravitazione universale.
Prima della rivoluzione copernicana, la teoria tolemaica affermava che i corpi
celesti non erano
corpi materiali, ma corpi "perfetti" che ruotavano attorno alla terra
su orbite "perfette" (circolari).
Dal punto di vista scientifico si accettavano le idee di Aristotele risalenti
addirittura al quarto
secolo avanti Cristo secondo le quali i corpi cadono perché cercano spontaneamente di
ricongiungersi al luogo da cui sono stati generati (la terra,
appunto).
04 - La forza elettromagnetica.
La materia è costituita da atomi i quali sono formati da protoni, neutroni ed
elettroni. I protoni
ed i neutroni, più pesanti (circa 2000 volte più pesanti degli elettroni),
costituiscono il nucleo e
gli elettroni, più leggeri, vi ruotano attorno.
I protoni trasportano una carica elettrica positiva mentre gli elettroni una
carica (di uguale valore)
negativa. I neutroni non sono elettricamente carichi.
Fra le cariche elettriche si instaurano forze che hanno la proprietà
fondamentale di essere attrattive
o repulsive a secondo che le cariche che generano queste forze siano di segno
opposto o dello
stesso segno : cariche elettriche di segno opposto si attraggono, cariche
elettriche di ugual segno
si respingono.
Gli atomi sono composti da uguali numeri di cariche positive e negative per cui,
esternamente,
essi appaiono elettricamente neutri.
Per questo motivo, a grandi distanze la forza elettromagnetica è ininfluente,
mentre la forza
gravitazionale è sempre presente ed è quella che fa muovere i pianeti attorno
alle stelle, i satelliti
attorno ai pianeti, le stelle dentro le galassie ecc. E' la forza gravitazionale
che "tiene in piedi"
l'universo.
Una caratteristica fondamentale delle cariche elettriche è che, se fatte
muovere in modo accelerato
(non in moto rettilineo uniforme), esse emettono onde elettromagnetiche.
Le onde elettromagnetiche sono le onde radio, tv, telefoni
cellulari, microonde, raggi infrarossi, luce
visibile dal rosso al violetto, raggi ultravioletti,
raggi X e raggi gamma.
Se faccio oscillare una carica elettrica emetto onde elettromagnetiche che,
attraversando lo
spazio, possono raggiungere altre cariche elettriche poste a distanza facendole
a loro volta
oscillare. Così, modulando appositamente l'oscillazione della carica che
trasmette, si effettua
una trasmissione radio.
Le forze elettromagnetiche sono la causa della forma, della struttura, di tutte
le proprietà chimiche ecc.
dei corpi che
ci circondano. Gli atomi, che sono di vario tipo (un centinaio) a seconda di quanti protoni,
neutroni ed elettroni (in ugual numero dei protoni) sono fatti, si combinano, grazie alle forze
elettriche, in
molecole che formano tutti i corpi.
Per esempio, un atomo di ossigeno si combina elettricamente con due atomi di
idrogeno e
formano una molecola di acqua che ha forma, aspetto e proprietà completamente
diverse
dagli atomi che la compongono. Addirittura una molecola d'acqua (H2O)
presenta una
"polarità", ovvero appare un po' allungata presentando una
maggiore carica positiva da un
lato ed una maggiore carica negativa dal lato opposto. Per questo motivo,
versando molte
sostanze (dello zucchero, per esempio) nell'acqua esse si sciolgono, ovvero i
loro legami
elettrici vengono in qualche modo "allentati", disturbati.
05 - La forza nucleare debole.
Di questa forza non diremo tanto, perché fra le quattro, è sicuramente la meno
"eclatante".
Diremo solo che un neutrone è in effetti la fusione fra un protone ed un
elettrone e questo
grazie appunti alla forza nucleare debole.
Allora un neutrone può rompersi e formare un protone ed un elettrone. Questo è
ciò che
succede nel fenomeno della radioattività naturale. Nuclei di atomi non particolarmente stabili
possono così decadere emettendo elettroni (detti anche, in questo caso, raggi
beta).
Anni fa, in conclusione, si è dimostrato che la forza nucleare debole e la
forza elettromagnetica
in effetti sono facce diverse di una stessa forza, la forza elettrodebole.
L'avere dimostrato
sperimentalmente questo fece guadagnare il premio Nobel al fisico Carlo Rubbia.
Deduciamo allora che le forze presenti in natura sono in effetti tre.
06 - La forza nucleare forte.
Nel nucleo degli atomi vi sono protoni e neutroni. Il nucleo ha dimensioni
estremamente piccole
per cui i protoni, carichi positivamente, si dovrebbero respingere
elettricamente in maniera enorme
ed in modo tale da non poter effettivamente stare nel nucleo.
Il nucleo, invece, è un oggetto molto stabile (a parte le eccezioni dovute ai
fenomeni radioattivi
o se viene bombardato) in cui i protoni sono posti a distanze enormemente
piccole, non compatibili
con le leggi elettromagnetiche.
Esso è tenuto assieme dalla forza nucleare
forte che, intervenendo
quando i protoni sono più vicini
di una certa distanza limite, neutralizza le
forze elettriche repulsive
e fa sì che il nucleo si formi.
Si capisce da questo che l'energia nucleare è enorme e quando si libera, come
nelle bombe atomiche,
nei reattori atomici o nel nucleo delle stelle, gli effetti sono impressionanti.
Concludiamo dicendo che la genesi, la creazione dei nuclei degli atomi, ovvero
dei vari tipi di atomi
avviene nelle stelle le quali poi ne "inseminano" l'universo.
Fine.