Essendo la realtà un tutto unico, le 4 forze agiscono sempre assieme. Per
esempio noi siamo vivi perchè siamo fatti di atomi i quali sono fatti di nuclei (in
cui agiscono le forze nucleari) e di elettroni che vi ruotano attorno (grazie alla forza
elettromagnetica). Gli atomi di cui siamo fatti sono legati fra loro dalle forze
chimiche (prodotte dalla forza elettromagnetica) e formano le innumerevoli
molecole che alimentano le numerosissime reazioni chimiche che ci tengono in vita.
Il nostro corpo poi è legato dalla forza peso (forza gravitazionale) al nostro pianeta
per cui non fluttuiamo liberamente nello spazio come fossimo in una navicella spaziale.
Il sole tiene in orbita attorno a sè la terra e gli altri pianeti (forza gravitazionale) e la
terra ha una struttura sferica grazie alla forza gravitazionale che la tiene insieme.
Il sole poi riscalda ed illumina (forza nucleare ed elettromagnetica) la terra permettendo
la vita, facendo piovere, alternando il giorno alla notte (grazie anche alla forza
gravitazionale) ecc. ecc .......
Il "tutto" è organizzato dalla forza gravitazionale in sistemi stellari, galassie,
ammassi galattici e super ammassi galattici mentre questo stesso "tutto" è formato
da atomi e particelle in cui agiscono le forze elettromagnetiche e nucleari.
- 02 - Interazione gravitazionale.
La forza gravitazionale agisce fra tutti i corpi dotati di massa. Essa è molto debole ed
è percettibile solo fra corpi macroscopici. E' sempre attrattiva. E' la forza che agisce
su larga scala in tutto l'universo permettendo l'esistenza di stelle, pianeti e galassie.
Il valore della forza gravitazionale fra due punti di massa m1 e m2 distanti R è dato
dalla formula di Newton (G è la costante di gravitazione universale) :
- 03 - Interazione elettromagnetica.
La materia è costituita da particelle elettricamente cariche positivamente o
negativamente (o di carica nulla). Due cariche elettriche si attirano se hanno
segno opposto o si respingono se hanno segno uguale.
La forza elettrica fra due cariche q1 e q2 distanti R è data dalla legge di
Coulomb (epsilon0 è la costante dielettrica del vuoto) (si noti la somiglianza
con la formula di Newton) :
Le cariche elettriche in moto creano un campo elettromagnetico che si propaga
nello spazio tramite onde alla velocità della luce c (circa 300.000 Km/sec).
Una carica elettrica in movimento produce, oltre ad un campo elettrico, anche
un campo magnetico. I fenomeni magnetici, quindi, sono prodotti da cariche
elettriche in movimento (in una calamita sono gli elettroni che vi generano il
campo magnetico).
Non esiste, quindi, una forza magnetica a sè stante, separata da quella
elettrica, anche se i fenomeni magnetici apparentemente sembrano così diversi
da quelli elettrici.
La descrizione dei fenomeni elettrici e magnetici tramite una sola forza rappresenta
il primo caso storico di unificazione fisica.
L'atomo è formato da un nucleo positivo contenente protoni e neutroni e da
elettroni negativi che gli ruotano velocissimamente attorno. Essendo l'atomo
nel suo complesso elettricamente neutro, il numero dei protoni eguaglia il
numero degli elettroni. Questo numero è detto numero atomico. La somma
del numero dei protoni e dei neutroni che compongono un nucleo è detto
peso atomico. La massa di protoni e neutroni è molto grande rispetto a
quella degli elettroni (circa 2000 volte, ed è per questo motivo che gli
elettroni ruotano attorno al nucleo e non viceversa).
Gli elettroni delle orbite atomiche più esterne sono la causa dei legami chimici
fra gli atomi che costituiscono le molecole di cui è composta la materia (e noi stessi).
La forza elettromagnetica e quella gravitazionale formano lo scenario usuale
della nostra vita quotidiana nonchè la causa della vita stessa. Sono state le prime
forze ad essere conosciute e studiate (la forza nucleare è una scoperta recente,
il neutrone fu scoperto solo nel 1932). Le forze nucleari sono come "impacchettate"
nei nuclei atomici e raramente si manifestano.
- 04 - Interazione nucleare debole.
E' responsabile del decadimento radioattivo del nucleo atomico. Alcuni
nuclei sono instabili e si spezzano spontaneamente producendo parti più piccole
(altri nuclei più leggeri, particelle alfa (nuclei di elio) e beta (elettroni)) nonchè
energia elettromagnetica (raggi gamma).
In natura ogni atomo ha un numero atomico ben preciso (il numero dei protoni
o degli elettroni). Il peso atomico, invece, può essere diverso e questo perchè
a parità di protoni si possono avere nel nucleo differenti numeri di neutroni.
L'idrogeno, per esempio, ha numero atomico uno (un protone ed un elettrone)
ma può avere peso atomico 1 (idrogeno normale, in percentuale altissima),
2 (deuterio, un protone ed un neutrone, in percentuale bassa) e 3 (trizio,
un protone e due neutroni, in percentuale bassissima). Dal punto di vista delle
proprietà elettriche (chimiche) si tratta sempre di idrogeno. Dal punto di vista
delle proprietà nucleari, idrogeno, deuterio e trizio sono molto diversi fra loro.
Atomi di ugual numero atomico e diverso peso atomico si chiamano isotopi.
Gli isotopi di uno stesso atomo possono essere stabili od instabili, ovvero i
loro nuclei permangono tali nel tempo oppure si disintegrano in parti più
piccole con possibile emissione anche di energia elettromagnetica (raggi
gamma). La maggioranza degli isotopi in natura sono stabili ma molti non lo
sono. Altri diventano instabili se bombardati con particelle.
Il carbonio 14 (C14) è un isotopo molto interessante perchè è utilizzato per
la datazione dei fossili. Il carbonio ha numero atomico 6 mentre il suo isotopo
più diffuso è l'isotopo C12. E' presente anche il C13. C12 e C13 sono
stabili. Vi sono tracce anche di C14 che è instabile e si trasforma in azoto 14
emettendo una particella beta (un elettrone).
Questa disintegrazione avviene casualmente per cui nessuno può prevedere
quando un singolo nucleo di C14 si disintegrerà. A livello statistico, però,
esiste un parametro, la cosiddetta vita media o tempo di dimezzamento, che
è assolutamente preciso. Questo parametro ha origine dalla legge dei grandi
numeri, la stessa che regola il gioco del lotto. In quel gioco nessuno può dire
con esattezza che numeri usciranno in una ruota, ma, sapendo che la
probabilità che esca il numero 1 è 1/90, di certo possiamo affermare che
dopo infinite estrazioni il numero 1 sarà uscito esattamente una volta su 90.
La legge dei grandi numeri afferma, quindi, che la frequenza statistica (cioè
quante volte si ripete un evento sul totale) tende alla probabilità (che è il rapporto
fra gli eventi favorevoli rispetto agli eventi possibili) al crescere del numero
degli eventi.
Ritornando al C14, un suo nucleo ha una certa ben precisa probabilità di
rompersi (di decadere). Su un numero grandissimo di nuclei questa probabilità
determina una vita media di 5730 +- 40 anni (l'indeterminazione è davvero
piccola !!!).
Tale vita media significa che a partire da un chilogrammo di C14, dopo 5730
anni ne rimangono esattamente 500 grammi (la metà).
Supponendo che la percentuale del C14 rispetto a C12 e C13 nella nostra biosfera
sia costante nel tempo, ogni essere vivente ne contiene una certa quantità costante in
percentuale (lo assorbe dagli alimenti, dall'acqua e dall'aria).
Quando un essere vivente muore cessa di assumere C14 il quale da quel momento
decadrà continuamente, senza essere rimpiazzato, con una vita media di 5730 anni.
In un fossile, quindi, si può calcolare la percentuale di C14 rimasto e di conseguenza
ricavare il tempo trascorso dalla sua morte, ovvero l'età del fossile.
- 05 - Interazione nucleare forte.
E' responsabile della struttura dei nuclei atomici ed è estremamente forte, sebbene
agisca in un range cortissimo.
Il nucleo atomico è costituito da protoni (carichi di elettricità positiva) e da neutroni
(particelle di carica neutra).
Il nucleo atomico è molto piccolo e concentrato. L'interazione nucleare forte riesce
a vincere la forza di repulsione elettrica fra i protoni di uguale carica (che a distanze
sempre più piccole tende all'infinito) e permette l'esistenza del nucleo atomico.
Altrimenti i protoni, respingendosi, non potrebbero stare uniti nel nucleo.
Se liberata, questa forza produce energie enormi (pila atomica, bomba atomica,
bomba H, energia radiante prodotta dalle stelle).
Una stella si forma da una gigantesca nube cosmica (soprattutto idrogeno e polvere)
estremamente rarefatta che per forza gravitazionale (centripeta) comincia a condensarsi
in una struttura sferica sempre più densa.
Raggiunta una certa densità (grazie alla gravità crescente) gli atomi della stella in formazione
cominciano ad urtarsi sempre più ed a "riscaldarsi".
Aumentando la densità sotto l'azione della gravità crescente, si raggiunge un livello
di agitazione termica degli atomi tale da creare urti sempre più energici. A questo
punto gli elettroni degli atomi escono dalle orbite che li vincolano al nucleo e si
forma il plasma, ovvero un miscuglio ad alta energia di nuclei ed elettroni.
Sotto l'azione della gravità sempre crescente si raggiunge finalmente un livello di
agitazione dei protoni e neutroni tale che essi cominciano ad urtarsi così fortemente
da innescare le forze nucleari (che hanno un raggio d'azione cortissimo).
I protoni riescono così a vincere le forze elettriche repulsive e cominciano a fondersi
(fusione nucleare) formando atomi di elio. La stella si accende ed inizia la sua vita.
La reazione nucleare che avviene in una stella è quindi D + D --> He + E (un nucleo
di deuterio D (idrogeno formato da un protone ed un neutrone) + un altro nucleo
di deuterio formano uno nucleo di elio con l'emissione di una certa energia).
L'energia viene prodotta perchè la massa dell'elio che si forma è lievemente inferiore
alla somma delle masse dei due nuclei di deuterio che l'hanno formato. Questo
difetto di massa si trasforma in energia (secondo la nota formula E=mc2).
L'energia prodotta è enorme (essendo il prodotto della massa per la velocità della
luce al quadrato) e viene emessa dalla stella sotto forma di radiazione elettromagnetica.
Essa è l'energia che permette la vita sul nostro pianeta.
La fusione nucleare fra due nuclei di deuterio in un nucleo di elio è quindi la reazione
nucleare che trasforma fredde nubi cosmiche di gas e polvere in caldissime stelle
(tutto questo grazie alla forza di gravità).
L'uomo è riuscito solo a riprodurre la fusione nucleare in forma esplosiva, non
controllata (bomba H). Enormi sforzi si stanno facendo da decenni per riprodurla
in forma controllata. Quando ciò sarà possibile, l'umanità finalmente disporrà di
energia praticamente illimitata (l'idrogeno è presente nell'acqua in quantità inesauribile)
ed allora sarà l'inizio di una nuova era.
Al momento il processo di fusione nucleare controllata è stato ottenuto solo per tempi
brevissimi. Il problema fondamentale che ancora non è stato risolto è come confinare
il plasma ad altissima energia in modo che si inneschi la fusione nucleare. Non potendo
utilizzare, come in una stella, l'energia gravitazionale (centripeta), si utilizzano campi
magnetici estremamente forti dove confinare il plasma.
Quando però si innesca la reazione nucleare, l'aumento improvviso di energia fà sì
che il plasma esca dal confinamento magnetico e la fusione cessi.
Una stella, quindi, brucia idrogeno producendo elio il quale non è più utilizzabile
per reazioni nucleari producenti energia. Siccome ogni stella ha una quantità di
idrogeno ben definita, ogni stella ha così una ben precisa evoluzione (nascita,
vita e morte).
La morte di una stella può dar luogo a fenomeni diversi, dipende dalla massa della
medesima. Se la massa è superiore ad una certa soglia (massa critica) la stella,
raffreddandosi e contraendosi (collasso gravitazionale) si trasforma in un buco nero.
Il nostro sole non ha una massa sufficiente, per cui non diventerà un buco nero.
- 06 - Le 2 teorie.
Le 4 forze possono essere descritte matematicamente da due teorie : la relatività
generale e la meccanica quantistica.
Nei primi 30 anni del '900 furono poste le basi logico-matematiche alle due teorie
grazie ai lavori rivoluzionari di Einstein, Heisemberg, Schroedinger e molti altri.
La teoria della relatività generale descrive la forza gravitazionale ed è una teoria
basata sui concetti geometrici classici del continuo. Siccome i fenomeni che
descrive sono tutti a larghissima scala, la struttura corpuscolare microscopica
della materia può in essa essere trascurata.
Viceversa, la meccanica quantistica descrive i fenomeni microscopici legati al
funzionamento degli atomi e delle particelle. In tali fenomeni la forza gravitazionale
è trascurabile, essa agisce apprezzabilmente solo fra corpi macroscopici.
La meccanica quantistica basa i propri concetti sulla discontinuità delle grandezze
fisiche (i cosiddetti quanti) in uno scenario completamente in contraddizione con
quello classico.
Le due teorie sono radicalmente antitetiche come forma (veste matematica)
e come contenuto però, occupandosi di fenomeni normalmente non paragonabili,
vengono portate avanti ed utilizzate separatamente.
Solo in particolari fenomeni, per esempio nei buchi neri, le due teorie vengono
ad interagire. Quando cioè, per esempio, il campo gravitazionale è così forte
da compattare così densamente la materia facendone interagire i componenti
microscopici (atomi e particelle) col campo gravitazionale stesso.
- 07 - L'unificazione.
Lo sforzo attuale dei fisici è quello di creare una teoria unica che fondi in sè la
teoria della relatività generale con la meccanica quantistica, il microcosmo con il
macrocosmo. Le difficoltà sono enormi ed è comune convinzione che occorrerà
un'altra rivoluzione copernicana.
E questo perchè l'uomo ha sempre cercato istintivamente l'unità nella molteplicità,
l'ordine nel caos.
Fine.
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