Il ragazzo brillante dai capelli selvaggi dietro la prima forza di cui parleremo Central Press/Stringer/Hulton Archive/Getty Images Mentre ti siedi davanti al tuo computer leggendo questo articolo, potresti non essere consapevole delle molte forze che agiscono su di te. UN forza è definita come una spinta o una trazione che modifica lo stato di movimento di un oggetto o provoca la deformazione dell'oggetto. Newton definì una forza come qualsiasi cosa che causasse l'accelerazione di un oggetto -- F =ma, dove F è forza, m è massa e un è l'accelerazione.
La forza familiare di gravità ti tira giù al tuo posto, verso il centro della Terra. Lo senti come il tuo peso. Perché non cadi dalla sedia? Bene, un'altra forza, elettromagnetismo , tiene uniti gli atomi del tuo sedile, impedendo ai tuoi atomi di intromettersi in quelli del tuo sedile. Le interazioni elettromagnetiche nel monitor del computer sono anche responsabili della generazione di luce che consente di leggere lo schermo.
La gravità e l'elettromagnetismo sono solo due delle quattro forze fondamentali della natura, in particolare due che puoi osservare ogni giorno. Quali sono gli altri due, e come ti influenzano se non riesci a vederli?
Le restanti due forze lavorano a livello atomico, che non sentiamo mai, nonostante sia fatto di atomi. Il forza forte tiene insieme il nucleo. Infine, il forza debole è responsabile del decadimento radioattivo, nello specifico, decadimento beta in cui un neutrone all'interno del nucleo si trasforma in un protone e un elettrone, che viene espulso dal nucleo.
Senza queste forze fondamentali, tu e tutta l'altra materia nell'universo cadreste a pezzi e galleggiaste via. Diamo un'occhiata a ciascuna forza fondamentale, cosa fa ciascuno, come è stato scoperto e come si relaziona con gli altri.
Contenuti
Questo piccoletto sta per scoprire cos'è la gravità. Steve Puetzer/Getty Images La prima forza di cui ti sei mai reso conto è stata probabilmente la gravità. Da bambino, dovevi imparare a sollevarti contro di essa e camminare. Quando sei inciampato, hai subito sentito la gravità riportarti a terra. Oltre a dare problemi ai più piccoli, la gravità tiene la luna, pianeti, sole, stelle e galassie insieme nell'universo nelle loro rispettive orbite. Può funzionare su distanze immense e ha una portata infinita.
Isaac Newton immaginava la gravità come un'attrazione tra due oggetti qualsiasi che era direttamente correlata alle loro masse e inversamente correlata al quadrato della distanza che li separa. La sua legge di gravitazione ha permesso all'umanità di inviare astronauti sulla luna e sonde robotiche ai confini del nostro sistema solare. Dal 1687 fino all'inizio del XX secolo, L'idea di Newton della gravità come un "tiro alla fune" tra due oggetti qualsiasi ha dominato la fisica.
Ma un fenomeno che le teorie di Newton non riuscivano a spiegare era la peculiare orbita di Mercurio. L'orbita stessa sembrava ruotare (nota anche come precessione). Questa osservazione ha frustrato gli astronomi dalla metà del 1800. Nel 1915, Albert Einstein si rese conto che le leggi del moto e della gravità di Newton non si applicavano agli oggetti ad alta gravità o ad alta velocità, come la velocità della luce.
Nella sua teoria della relatività generale, Albert Einstein immaginava la gravità come una distorsione dello spazio causata dalla massa. Immagina di posizionare una palla da bowling nel mezzo di un foglio di gomma. La palla fa una depressione nel foglio (un pozzo gravitazionale o un campo gravitazionale). Se fai rotolare una biglia verso la palla, cadrà nella depressione (sarà attratto dalla palla) e potrebbe persino circondare la palla (orbita) prima che colpisca. A seconda della velocità del marmo, può sfuggire alla depressione e passare la palla, ma la depressione potrebbe alterare il percorso del marmo. I campi di gravità intorno a oggetti massicci come il sole fanno lo stesso. Einstein derivò la legge di gravità di Newton dalla sua teoria della relatività e mostrò che le idee di Newton erano un caso speciale di relatività, in particolare uno che si applica alla gravità debole e alle basse velocità.
Quando si considerano oggetti massicci (Terra, stelle, galassie), la gravità sembra essere la forza più potente. Però, quando applichi la gravità al livello atomico, ha scarso effetto perché le masse delle particelle subatomiche sono così piccole. A questo livello, in realtà è declassato alla forza più debole.
Diamo un'occhiata all'elettromagnetismo, la prossima forza fondamentale.
Andiamo, forza, tutti sanno che gli opposti si attraggono, anche Paula Abdul. Don Farrall/Getty Images Se ti lavi i capelli più volte, i tuoi capelli potrebbero rizzarsi ed essere attratti dalla spazzola. Come mai? Il movimento della spazzola impartisce cariche elettriche a ciascun capello e i singoli peli con carica identica si respingono l'un l'altro. Allo stesso modo, se metti insieme i poli identici di due barre magnetiche, si respingeranno a vicenda. Ma avvicina i poli opposti dei magneti, e i magneti si attrarranno a vicenda. Questi sono esempi familiari di forza elettromagnetica; cariche opposte si attraggono, mentre cariche simili si respingono.
Gli scienziati hanno studiato l'elettromagnetismo dal XVIII secolo, con diversi contributi notevoli.
Quando gli scienziati hanno elaborato la struttura dell'atomo all'inizio del XX secolo, hanno appreso che le particelle subatomiche esercitavano forze elettromagnetiche l'una sull'altra. Per esempio, protoni caricati positivamente potrebbero contenere elettroni caricati negativamente in orbita attorno al nucleo. Per di più, gli elettroni di un atomo attraggono i protoni degli atomi vicini per formare a forza elettromagnetica residua , che ti impedisce di cadere dalla sedia.
Ma come funziona l'elettromagnetismo a un raggio infinito nel mondo grande ea un raggio corto a livello atomico? I fisici pensavano che i fotoni trasmettessero forza elettromagnetica su grandi distanze. Ma hanno dovuto escogitare teorie per conciliare l'elettromagnetismo a livello atomico, e questo ha portato al campo di elettrodinamica quantistica ( QED ). Secondo QED, i fotoni trasmettono forza elettromagnetica sia macroscopicamente che microscopicamente; però, le particelle subatomiche scambiano costantemente fotoni virtuali durante le loro interazioni elettromagnetiche.
Ma l'elettromagnetismo non può spiegare come si tiene insieme il nucleo. È qui che entrano in gioco le forze nucleari.
Dott. Hideki Yukawa, Giusto, riceve il premio Nobel per la fisica a Stoccolma dall'allora principe ereditario Gustavo Adolfo di Svezia il 10 dicembre 1949, per il suo postulato sul mesone. AP Photo/Immagini Getty Il nucleo di qualsiasi atomo è costituito da protoni carichi positivamente e neutroni neutri. L'elettromagnetismo ci dice che i protoni dovrebbero respingersi e il nucleo dovrebbe separarsi. Sappiamo anche che la gravità non gioca un ruolo su scala subatomica, quindi all'interno del nucleo deve esistere qualche altra forza che sia più forte della gravità e dell'elettromagnetismo. Inoltre, poiché non percepiamo questa forza tutti i giorni come facciamo con la gravità e l'elettromagnetismo, quindi deve operare su distanze molto brevi, dire, sulla scala dell'atomo.
La forza che tiene insieme il nucleo si chiama forza forte , chiamata alternativamente forza nucleare forte o interazione nucleare forte. Nel 1935, Hideki Yukawa ha modellato questa forza e ha proposto che i protoni che interagiscono tra loro e con i neutroni scambiano una particella chiamata mesone -- in seguito chiamato a pione -- per trasmettere la forza forte.
Negli anni Cinquanta, i fisici costruirono acceleratori di particelle per esplorare la struttura del nucleo. Quando hanno fatto schiantare gli atomi insieme ad alta velocità, hanno trovato i pioni predetti da Yukawa. Hanno anche scoperto che protoni e neutroni erano fatti di particelle più piccole chiamate quark . Così, la forza forte teneva insieme i quark, che a sua volta teneva insieme il nucleo.
Un altro fenomeno nucleare doveva essere spiegato:il decadimento radioattivo. Nell'emissione beta, un neutrone decade in un protone, antineutrino ed elettrone (particella beta). L'elettrone e l'antineutrino vengono espulsi dal nucleo. La forza responsabile di questo decadimento ed emissione deve essere diversa e più debole della forza forte, quindi è un nome sfortunato -- the forza debole o la forza nucleare debole o l'interazione nucleare debole.
Con la scoperta dei quark, si è dimostrato che la forza debole è responsabile della trasformazione di un tipo di quark in un altro attraverso lo scambio di particelle chiamate bosoni W e Z, scoperte nel 1983. Alla fine, la forza debole rende possibile la fusione nucleare nel sole e nelle stelle perché permette all'isotopo di idrogeno deuterio di formarsi e fondersi.
Ora che puoi nominare le quattro forze:gravità, elettromagnetismo, la forza debole e la forza forte - vedremo come si confrontano e interagiscono tra loro.
Dai campi di QED e cromodinamica quantistica , o QCD , il campo della fisica che descrive le interazioni tra particelle subatomiche e forze nucleari, vediamo che molte delle forze sono trasmesse da oggetti che scambiano particelle chiamate particelle di misura o bosoni di gauge . Questi oggetti possono essere quark, protoni, elettroni, atomi, magneti o addirittura pianeti. Così, come fa lo scambio di particelle a trasmettere una forza? Considera due pattinatori sul ghiaccio in piedi a una certa distanza l'uno dall'altro. Se un pattinatore lancia una palla all'altro, i pattinatori si allontaneranno l'uno dall'altro. Le forze funzionano in modo simile.
I fisici hanno isolato le particelle di gauge per la maggior parte delle forze. La forza forte usa pioni e un'altra particella chiamata a gluone . La forza debole usa Bosoni W e Z . La forza elettromagnetica usa fotoni . Si pensa che la gravità sia trasmessa da una particella chiamata a gravitone ; però, gravitoni non sono stati ancora trovati. Alcune delle particelle di gauge associate alle forze nucleari hanno massa, mentre altri no (elettromagnetismo, gravità). Poiché la forza elettromagnetica e la gravità possono operare su distanze enormi come anni luce, le loro particelle di calibro devono poter viaggiare alla velocità della luce, forse anche più veloce per i gravitoni. I fisici non sanno come si trasmette la gravità. Ma secondo la teoria della relatività ristretta di Einstein, nessun oggetto con massa può viaggiare alla velocità della luce, quindi ha senso che fotoni e gravitoni siano particelle di gauge senza massa. Infatti, i fisici hanno stabilito fermamente che i fotoni non hanno massa.
Quale forza è la più potente di tutte? Questa sarebbe la forza nucleare forte. Però, agisce solo a corto raggio, approssimativamente delle dimensioni di un nucleo. La forza nucleare debole è un milionesimo più forte della forza nucleare forte e ha una portata ancora più breve, diametro inferiore a un protone. La forza elettromagnetica è circa lo 0,7% più forte della forza nucleare forte, ma ha una portata infinita perché i fotoni che trasportano la forza elettromagnetica viaggiano alla velocità della luce. Finalmente, la gravità è la forza più debole a circa 6 x 10 -29 volte quello della forza nucleare forte. Gravità, però, ha una portata infinita.
I fisici stanno attualmente perseguendo l'idea che le quattro forze fondamentali possano essere correlate e che siano scaturite da una forza all'inizio dell'universo. L'idea non è senza precedenti. Una volta pensavamo all'elettricità e al magnetismo come entità separate, ma il lavoro di Oersted, Faraday, Maxwell e altri hanno dimostrato di essere imparentati. Le teorie che mettono in relazione le forze fondamentali e le particelle subatomiche sono chiamate opportunamente grandi teorie unificate . Di più su di loro in seguito.
Il nucleo magnetico del Large Hadron Collider potrebbe un giorno unire la forza forte con la forza elettrodebole. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images La scienza non riposa mai, quindi il lavoro sulle forze fondamentali è lungi dall'essere finito. La prossima sfida è costruire una grande teoria unificata delle quattro forze, un compito particolarmente difficile dal momento che gli scienziati hanno lottato per conciliare le teorie della gravità con quelle della meccanica quantistica.
È lì che gli acceleratori di particelle, che possono indurre collisioni a energie più elevate, tornare utile. Nel 1963, i fisici Sheldon Glashow, Abdul Salam e Steve Weinberg hanno suggerito che la debole forza nucleare e la forza elettromagnetica potrebbero combinarsi a energie più elevate in quello che sarebbe chiamato il forza elettrodebole . Hanno predetto che ciò si sarebbe verificato a un'energia di circa 100 giga-elettronvolt (100 GeV) o a una temperatura di 10 15 K, avvenuta poco dopo il Big Bang. Nel 1983, i fisici hanno raggiunto queste temperature in un acceleratore di particelle e hanno dimostrato che la forza elettromagnetica e la forza nucleare debole erano correlate.
Le teorie prevedono che la forza forte si unirà alla forza elettrodebole a energie superiori a 10 15 GeV e che tutte le forze possano unirsi ad energie superiori a 10 19 GeV. Queste energie si avvicinano alla temperatura nella prima parte del Big Bang. I fisici stanno cercando di costruire acceleratori di particelle che potrebbero raggiungere queste temperature. Il più grande acceleratore di particelle è il Large Hadron Collider del CERN di Ginevra, Svizzera. Quando è online, sarà in grado di accelerare i protoni al 99,99 percento della velocità della luce e raggiungere energie di collisione di 14 tera-elettronvolt o 14 TeV, che è uguale a 14, 000 GeV o 1,4 x 10 4 GeV.
Se i fisici possono dimostrare che le quattro forze fondamentali provenivano effettivamente da una forza unificata quando l'universo si è raffreddato dal Big Bang, cambierà la tua vita quotidiana? Probabilmente no. Però, farà progredire la nostra comprensione della natura delle forze, così come le origini e il destino dell'universo.
