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Le quattro forze fondamentali

Continuiamo ad affrontare alcuni argomenti di fisica. La volta scorsa abbiamo parlato della gravità e abbiamo imparato alcuni termini. Oggi vedremo quali sono le quattro forze fondamentali presenti in natura.
Come già detto, per richieste e suggerimenti, scrivetemi. Grazie anche a chi mi ha fatto notare che nella mail della settimana scorsa ho nominato sovrappensiero la dinamica dei corpi di Galileo, intendendo invece la cinematica dei corpi. Primo errore.
La mia mail è spacebreak [at] francescobussola.it

Di cosa parliamo
– le quattro forze fondamentali
– la storia di Hubble
– pillole della settimana

Le quattro forze fondamentali
Sappiamo oggi che in natura esistono quattro forze fondamentali che regolano le interazioni tra le particelle. Due di queste sono molto famose: sono la forza di gravità e la forza elettromagnetica. Le altre due sono meno famose e sono chiamate, in maniera piuttosto banale, forza debole e forza forte. In seguito mi capiterà di chiamare queste forze “interazioni”. Sono termini sinonimi in questo contesto. Spero non sia un problema. Vediamole dunque una per una.

La forza di gravità
Della forza di gravità abbiamo già parlato con la scorsa newsletter. La conosciamo tutti, dato che tutti siamo caduti almeno una volta dalla bicicletta. Abbiamo detto che è stata “scoperta” da Newton la cui legge di gravitazione universale è buona, ma intrinsecamente sbagliata perché dipende dalle distanze tra i corpi. E la misura della distanza tra i corpi non è un valore univoco, è un concetto relativo. Abbiamo poi accennato al fatto che Einstein ha sistemato piuttosto bene le cose, anche se non abbiamo detto come. Per chi si è perso e per chi non c’era, rimando alla scorsa newsletter.
Parleremo nuovamente della gravità più avanti, quando affronteremo la Teoria della Relatività. Ok?

La forza elettromagnetica
Anche la forza elettromagnetica la conosciamo tutti. Riguarda l’elettricità e il magnetismo.
I magneti sono noti all’uomo da molto tempo, ma ne abbiamo cominciato a capire il funzionamento soltanto da pochi secoli. Hanno un “polo nord” e un “polo sud”. Il polo nord e il polo sud di due calamite si attirano, mentre due poli uguali si respingono. Un magnete inoltre attira alcuni metalli, più o meno con lo stesso processo.
L’elettricità invece, che ci è sempre passata sotto il naso durante i temporali, ha trovato applicazione a partire dalla fine del Settecento. Sappiamo che i corpi possono avere una carica positiva, negativa, oppure non averne – e in tal caso si dicono neutri. Cariche di segno opposto si attraggono, mentre cariche dello stesso segno si respingono. Anche le molecole, gli atomi e le particelle fondamentali che troviamo in natura possono avere una carica. Ad esempio il protone è una particella con carica positiva, l’elettrone ha carica negativa, mentre il neutrone non ha carica elettrica.
A fine Ottocento il fisico Maxwell comprese che l’elettricità e il magnetismo sono due facce dello stesso fenomeno fisico. Chiamò questo fenomeno elettromagnetismo e trovò delle formule per descriverlo. In che senso elettricità e magnetismo sono lo stesso fenomeno? È presto detto: cariche elettriche in movimento – la corrente – generano un campo magnetico (per verificarlo prendete una bussola e avvicinatela al cavo di alimentazione del pc – dentro il quale passa corrente – l’ago si muoverà), mentre se muoviamo delle calamite vicino a un metallo che conduce elettricità, possiamo creare delle correnti elettriche. Questi principi sono oggi molto utilizzati, ad esempio nei freni magnetici dei treni.
L’elettromagnetismo inoltre assume anche altre forme inaspettate: la luce, ad esempio, è un fenomeno elettromagnetico, così come le microonde che usiamo per riscaldare il latte o i raggi X sfruttati in ospedale. Tutto questo è descritto da quattro eleganti formule, chiamate Equazioni di Maxwell.

L’interazione nucleare forte
Se non lo sapete, la materia è costituita da molecole e le molecole sono fatte di atomi. La molecola dell’acqua, ad esempio, è H₂O ed è quindi costituita da due atomi di idrogeno (H) e uno di ossigeno (O). A loro volta gli atomi sono composti di particelle più piccole, dette particelle subatomiche, in numero diverso a seconda del tipo di atomo. Ci sono tre tipi di particelle subatomiche. Protoni e neutroni sono incollati tra loro e formano il nucleo, mentre gli elettroni, che sono molto più piccoli, “girano” intorno al nucleo.
Ma come stanno insieme i protoni e i neutroni nel nucleo? Grazie alla forza elettromagnetica? No. Come abbiamo visto prima i protoni hanno carica elettrica positiva, mentre i neutroni non hanno carica. Non rimangono certo incollati a causa dell’elettromagnetismo. Inoltre in un nucleo possono esserci più protoni, tutti con carica positiva e quindi tenderebbero a respingersi tra loro. Cosa li fa rimanere uniti?
La responsabile è l’interazione nucleare forte, chiamata così perché è più forte delle altre interazioni, compresa la forza elettromagnetica.
Parleremo più nel dettaglio di questa forza e confronteremo l’intensità delle varie forze più avanti.

L’interazione nucleare debole
Nel 1964 si teorizzò che anche i protoni e i neutroni fossero composti di particelle più piccole, detti quark. Per gli appassionati di letteratura, il nome quark fu preso in prestito dal fisico Murray Gell-Mann da un passo del romanzo sperimentale Finnegans Wake di James Joyce. Nel libro la parola “quarks” è una crasi dell’espressione “question marks”, che significa “punti di domanda”.
La teorizzazione dei quark – e la loro scoperta solamente quattro anni dopo all’acceleratore di particelle di Stanford, in California – permise di spiegare con precisione un fenomeno molto interessante detto decadimento beta. Il decadimento beta è un tipo di decadimento radioattivo, una reazione nucleare spontanea che trasforma una particella in un’altra. Ad esempio un protone può trasformarsi in un neutrone, creando anche altre particelle, oppure viceversa.
Il tipo di interazione che sta alla base di questi processi è appunto l’interazione nucleare debole che, agendo tra i quark all’interno di protoni e neutroni, ne cambia la natura, dando il via ai decadimenti.
Aggiungo una cosa, anche i quark sono tenuti insieme tra loro dall’interazione nucleare forte di cui abbiamo parlato nel paragrafo precedente. Quindi mentre l’interazione nucleare debole è responsabile dei decadimenti, facendo in un certo senso “dividere” le particelle, l’interazione nucleare forte agisce come una “colla” e le tiene insieme. Il fatto che l’interazione nucleare forte sia “più forte” di quella debole garantisce l’esistenza e la stabilità dei nuclei atomici. È andata bene.

La storia di Hubble
La settimana scorsa abbiamo nominato il telescopio spaziale Hubble (HST), che orbita attorno alla terra a circa 560 Km di quota. Avere un telescopio che orbita intorno alla terra fu necessario per evitare la distorsione delle immagini dovuta alla presenza dell’atmosfera, altrimenti aggirabile solo con complessi sistemi di ottica adattiva. Avete presente come si distorcono le immagini quando guardate oltre il termosifone acceso, il fuoco o l’asfalto d’estate? L’atmosfera fa lo stesso effetto alla luce delle stelle.
Hubble ha avuto una storia piuttosto tortuosa. Il suo lancio fu inizialmente rimandato a causa dell’esplosione dello space shuttle Challenger nel 1986. Messo in orbita tempo dopo, nel 1990, generò molto sconforto: le prime foto erano distorte e fuori fuoco a causa di una lente troppo piatta sul bordo di soli 0,002 millimetri (non 2 millimetri). L’errore fu corretto da degli astronauti in una missione Shuttle solamente nel 1993. La missione, che richiese cinque passeggiate spaziali della durata di sei ore ciascuna e l’installazione di una lente correttiva, migliorò drasticamente la qualità delle foto (l’immagine di Eta Carinae, una stella binaria a 7mila anni luce da noi, prima e dopo la correzione, si ingrandisce cliccando).

(Credit: NASA, ESA, Jon Morse)

Da allora Hubble  grazie alla sua ricca strumentazione scientifica, fornisce foto dettagliate e tantissime informazioni sulla radiazione emessa dagli oggetti celesti, analizzando anche la loro composizione chimica.
Presto Hubble avrà un nuovo compagno di avventure. Nel 2018 infatti verrà messo in orbita il James Webb Space Telescope, con lo scopo primario di studiare l’origine dell’universo.
Studiare l’origine dell’universo con un telescopio sembra una sciocchezza, ma è piuttosto semplice. Questa foto di Hubble, ad esempio, è NGC 3808 – un sistema di due galassie che stanno per scontrarsi – a 300 milioni di anni luce da noi.

(Credit: NASA, ESA)

Un anno luce è una unità di misura che corrisponde alla distanza percorsa da un raggio di luce in un anno.
Quando si dice che una galassia è a 300 milioni di anni luce da noi, quindi, significa che la luce che catturiamo con il telescopio ci ha messo 300 milioni di anni a raggiungere l’obiettivo. La foto è dunque di 300 milioni di anni fa.
Più osserviamo oggetti distanti nello spazio, più osserviamo il passato: un telescopio è quindi una banale macchina del tempo e, studiando la radiazione proveniente da oggetti molto distanti, ci permette di investigare l’universo com’era alle sue origini.

Pillole
Alcune notizie di questi giorni, brevi.

SpaceX rilancia
Il 17 Gennaio SpaceX tenterà un nuovo atterraggio in verticale del razzo Falcon 9 utilizzato durante la scorsa missione. L’atterraggio non verrà effettuato con un lancio test, ma durante la missione per la messa in orbita di Jason-3, un satellite dedicato allo studio della topografia degli oceani. Inoltre non avverrà sulla terraferma, ma su una chiatta nell’oceano. L’ultima volta che hanno provato a far atterrare il Falcon 9 su una chiatta, non è andata molto bene.

LIGO ci ha visto giusto?
LIGO è un esperimento statunitense (ne conduciamo uno simile in Italia, VIRGO) per rilevare sulla terra le onde gravitazionali. Cosa sono le onde gravitazionali lo vedremo, ma si vocifera che LIGO sia riuscito a vederle la prima volta nella storia. C’è estrema cautela, ma se la voce fosse confermata sarebbe una scoperta sensazionale. Si vedrà.

Philae, ultima spiaggia
Sono cominciati gli ultimi (disperati) tentativi di comunicare con Philae, il lander della missione Rosetta che si trova mezzo addormentato sulla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. Il volano del lander è stato fatto ruotare velocemente per sbarazzarsi della polvere e provare così ad attivare i pannelli solari. Non si sa ancora se la manovra sia andata a buon fine. C’è tempo fino a fine Gennaio, poi la cometa sarà troppo distante dal Sole, farà troppo freddo e Philae non si sveglierà più.

Prime ipotesi al CERN
Nel 2015 l’acceleratore di particelle del CERN di Ginevra ha funzionato per la prima volta a pieno regime. Lo scorso 15 Dicembre sono stati pubblicati dei risultati interessanti – ma non definitivi – che indicavano la possibile scoperta di nuove particelle. In attesa di dati più precisi i fisici stanno già facendo delle ipotesi.

MAVEN
La Missione MAVEN per studiare l’atmosfera di Marte indica che il vento solare (cos’è?) strappa gas dall’atmosfera al ritmo di 100 grammi al secondo (video). Studiare l’atmosfera di Marte è importante in vista delle missioni umane.

Feedback
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Per approfondire
– non sempre due galassie vicine stanno per scontrarsi (inglese)
– cosa sono le particelle mediatrici delle forze? (qualche cenno, per chi vuole buttarsi avanti)
– le equazioni che governano il mondo, di Carlo Bernardini
– Il telescopio spaziale James Webb, in costruzione nell’hangar (live)