FORZE ED INTERAZIONI

Tutte le forze dovute alle particelle materiali nella meccanica quantistica dovrebbero essere trasportate da particelle con spin intero: 0, 1 o 2 (bosoni).

Quello che accade è che una particella dotata di massa, un elettrone o un quark, emette una particella che trasporta una forza. Per il principio di azione-reazione, la prima particella vede la sua velocità modificata; la particella portatrice entra in collisione con un' altra particella materiale, che a sua volta subisce una variazione di velocità. In questo modo tra le due particelle dotate di massa si è esercitata una forza.

Una proprietà importantisima dei bosoni è che essi non obbediscono al principio di esclusione: non c' è quindi limite al numero che ne può essere scambiato e si può dare origine ad una forza molto forte.

Ma se le particelle portatrici hanno massa elevata, sarà difficile produrle e scambiarle su grandi distanze: le forze prodotte avranno perciò un raggio d' azione molto breve. Se invece le particelle portatrici non hanno massa propria, le forze potranno esercitarsi su grandi distanze. Ecco perchè le particelle portatrici sono dette "virtuali": esse non possono essere direttamente scoperte da un rilevatore, ma ne possono solo essere osservati gli effetti.

Le particelle portatrici sono raggruppate in quattro categorie, a seconda dell' intensità della forza di cui sono responsabili. Bisogna sottolineare che questa è una divisione del tutto arbitraria e i fisici sperano sempre di poter unificare tutte le forze come aspetti diversi di un' unica forza.

La prima gategoria è la FORZA GRAVITAZIONALE, quella successiva è la FORZA ELETTROMAGNETICA, la terza è chiamata FORZA NUCLEARE DEBOLE e l' ultima FORZA NUCLEARE FORTE.


FORZA GRAVITAZIONALE

La forza gravitazionale è universale: in altri termini, ogni particella risente della forza di gravità, a seconda della sua massa o energia.

La gravità è la più debole fra le quattro forze; è così debole che non la percepiremmo se non fosse per il fatto che ha la capacità di agire su grandi distanze e di manifestarsi sempre sotto forma di un' attrazione. Ciò sognifica che le minuscole particelle che si esercitano fra corpi di grande massa, ad esempio due pianeti, possono sommarsi fino a produrre una forza significativa.

Le altre tre forze hanno un raggio d' azione brevissimo, o sono a volte attrattive e a volte repulsive, tendendo così ad annullarsi.

Nella meccanica quantistica, si dice che la forza gravitazionale viene trasportata da una particella di spin 2, detta gravitone. Essa non è dotata di massa, cosicchè può avere grandissimo raggio d' azione.

Nonostante queste particelle scambiate siano virtuali, producono un effetto misurabile: si deve infatti ad esse la rivoluzione dei pianeti attorno al sole!

I gravitoni formano quelle che sono dette onde gravitazionali, così deboli e così difficili da osservare che non sono state ancora rivelate.


FORZA ELETTROMAGNETICA

La forza elettromagnetica interagisce con particelle dotate di carica elettrica come elettroni e quarks, ma non con particelle prive di carica.

E' molto più intensa della forza gravitazionale: tra due elettroni si esercita una forza che è circa un milione di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni (1 seguito da 42 zeri) di volte maggiore della forza di gravità.

Esistono però due tipi di cariche elettriche: uno positivo e l' altro negativo. La forza tra due cariche dello stesso segno è repulsiva, mentre tra cariche di segno opposto è attrattiva. Un corpo di dimensioni molto grandi, come la terra, possiede al suo interno un numero quasi uguale di cariche positive e negative. Le forze elettromagnetiche quindi si cancellano quasi per intero, e rimane ben poca forza elettromagnetica netta.

A piccole scale, però, la forza elettromgnetica domina. L' attrazione fra protoni ed elettroni nell' atomo determina il moto orbitale di questi ultimi attorno al nucleo, analogo a quello dei pianeti attorno ala sole.

L'attazione elettromagnetica viene attribuita allo scambio di particelle virtuali prive di massa e con spin 1, chiamate fotoni. Esse sono sì particelle virtuali, ma quando un elettrone passa da un' orbitale più esterna ad una più vicina al nucleo, si libera energia e viene emesso un vero fotone osservabile come luce visibile. Al contrario, se un fotone reale entra in collisione con un elettrone, fa spostare quest' ultimo da un' orbita più vicina ad una più lontana, e l' energia del fotone viene assorbita.


FORZA NUCLEARE DEBOLE

La forza nucleare debole è responsabile della radioattività e agisce su tutte le particelle materiali con spin semi-intero, ma non su particelle con spin intero.

La forza nuleare debole non fu ben compresa fino al 1967, quando Abdus Salam e Steven Weinberg proposero due teorie che unificavano qusta interazione con la forza elettromagnetica.

Esii suggerirono che, oltre al fotone, dovevano esistere altre particelle di spin 1, note come bosoni vettoriali dotati di massa, portatori della forza debole appunto. Questi furono chiamati W+, W- e Z°, e ciascuno di loro ha una massa di circa 100 GeV.

La teoria di Weinberg-Salam presenta una proprietà nota come rottura spontanea della simmetria. Ciò significa che quelle che lle basse energie sembrano particelle completamente diverse, risultano essere invece lo stesso tipo di particelle, solo in stati diversi. Alle alte energie tutte queste particelle si comportano in modo simile.

L' effetto si può paragonare ad una pallina da roulettementre la ruota gira. Alle alte energie (con la ruota che gira velocemente) la pallina si comporta essenzialmente in un unico modo: corre esternamente alla ruota. Quando però ruota rallenta, la pallina va a collocarsi in uno dei trentasette scompartimenti dei numeri. In altre parole, a basse energie la pallina può esistere in trentasette stati diversi, e se noi conoscessimo solo le basse energie, penseremmo che esistono trentasette diversi titpi di palline.

Una grande varietà di fenomeni, come la disintegrazione di molte particelle instabili, può essere inquadrata fra gli effetti dell' interazione debole e il primo a rendersene conto fu Fermi nel 1933.

Per quanto riguarda il raggio d' azione, l' interazione debole agisce solo a brevissima distanza (<10^-15 m), ma essa condiziona la scala temporale dei processi che avvengono nelle stelle: proprio la forza debole regola infatti la combustione del sole.


FORZA NUCLEARE FORTE

La forza nucleare forte tiene insieme i quarks nel protone e nel neutrone, e i protoni e neutroni nel nucleo dell' atomo. Si pensa che questa forza sia trasportata da un' altra particella di spin 1, chiamata gluone, la quale interagisce solo con se stessa e con i quarks.

La forza nucleare forte ha una curiosa proprietà, chiamata confinamento: essa lega assieme particelle in combinazioni che non hanno alcun colore. Infatti, non si può avere un singolo quark isolato, perchè esso avrebbe un colore (rosso, verde o blu). Invece, un quark rosso deve essere unito ad uno blu ed uno verde da una sequenza di gluoni, in modo da dare colore bianco come risultante. Una tale tripletta costituisce un protone o un neutrone.

Un' altra possibilità è una coppia formata da un quark ed un antiquark (es: rosso+ antirosso= bianco). Tali combinazioni compongono i mesoni, i qulai sono instabili perchè quarks e antiquarks spossono annichilirsi fra loro, producendo elettroni e altre particelle. Allo stesso modo, il confinamento impedisce che si possa avere un singolo gluone a sè.

Questo fatto che impedisce di osservare un quark o un gluone isolati, può dare l' idea che la nozione stessa di tali particelle sia più metafisica che fisica. Ma un' altra proprietà della forza nucleare forte, la libertà asintotica, rende ben definito il concetto di quark e gluone. A energie normali, la forza d' interazione forte è intensissima, e lega strettamente assieme i quarks. Ma alcuni esperimenti con i grandi acceleratori hanno indicato che che ad alte energie la forza forte diventa molto più debole, e i quarks e gluoni si comportano come particelle libere.