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Le quattro forze fondamentali dell'universo

L’universo è regolato da quattro forze, dette “forze fondamentali dell’universo”. Esse sono: la forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, la forza (nucleare) debole e la forza (nucleare) forte. Ognuna di esse è caratterizzata da una intensità e da un raggio d'azione, vale a dire la distanza massima alla quale fa sentire i suoi effetti. A seconda di come si combinano queste due proprietà, una forza è facilmente osservabile, come nel caso della forza di gravità e di quella elettromagnetica, oppure sfugge alla nostra esperienza quotidiana, come per l'azione della forza debole e di quella forte.
La forza di gravità regola tutto l'Universo
La forza fondamentale a noi più familiare è la gravità (gravitazione), che spinge due particelle ad attrarsi l'un l'altra con un'intensità direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa. È di gran lunga la più debole di tutte le forze fondamentali ma, grazie al vastissimo raggio d'azione e al fatto di essere sempre attrattiva, è l'interazione più importante che si esercita tra corpi separati da grandi distanze, come per esempio il Sole e la Terra.

La struttura dell'Universo è dovuta principalmente alla forza di gravità, che fa aggregare la materia fino a formare stelle e pianeti, fa orbitare i pianeti intorno alle stelle, come avviene nel nostro sistema solare, e fa aggregare le stelle in enormi galassie.

La forza elettromagnetica plasma la materia

La forza elettromagnetica, come dice il nome, è la combinazione tra la forza elettrica, che agisce tra due particelle ferme dotate di carica elettrica, e la forza magnetica, che agisce tra due particelle cariche che si muovono l'una rispetto all'altra. Si differenzia dalla forza di gravità per l'intensità, enormemente più grande, e perché può essere sia attrattiva sia repulsiva. Due particelle che sotto la sua azione si respingono hanno carica elettrica dello stesso segno. Per esempio, l'interazione tra due elettroni, che hanno entrambi carica negativa, è repulsiva. Se invece le cariche sono di segno opposto, come nel caso di un elettrone che interagisce con un protone, con carica positiva, la forza è attrattiva.

La forza forte è la sorgente dell'energia delle stelle

La forza che agisce tra protoni e neutroni è anch'essa dovuta all'interazione forte ma, come quelle che agiscono tra due atomi o due molecole, è prodotta da meccanismi complicati. Le sue caratteristiche più importanti sono l'intensità molto più grande di quella delle altre forze fondamentali, che è storicamente all'origine del nome forza forte, e il raggio d'azione piccolissimo, di appena qualche milionesimo di milionesimo di millimetro. Grazie a queste due proprietà protoni e neutroni si legano in modo strettissimo l'uno all'altro per formare il nucleo atomico: il volume che occupano è così piccolo che la densità raggiunge il fantastico valore di cento milioni di tonnellate per centimetro cubo.

Fondendo due nuclei atomici leggeri, come quelli dell'idrogeno (il più leggero di tutti, formato da un solo protone) o dell'elio (formato da due protoni e due neutroni), si può produrre moltissima energia. Le reazioni nucleari di fusione sono però molto difficili da realizzare sulla Terra perché i nuclei atomici, avendo tutti carica elettrica positiva, si respingono per effetto dell'interazione elettromagnetica. All'interno delle stelle, invece, per l'altissima temperatura, i nuclei si muovono tanto veloci da riuscire a vincere la repulsione elettrostatica e avvicinarsi abbastanza per realizzare la fusione. Così, grazie all'azione della forza forte, nasce l'energia delle stelle.

Come si è scoperta la forza debole

La forza debole, come dice il nome, è molto meno intensa sia della forza forte sia di quella elettromagnetica e ha un raggio d'azione piccolissimo, simile a quello della forza forte. La sua esistenza è stata dedotta osservando il decadimento β (beta), una particolare forma di radioattività naturale.
In questo decadimento, osservato per la prima volta all'inizio del Novecento, uno dei neutroni presenti nel nucleo si trasforma in un protone e contemporaneamente viene emessa una particella di carica elettrica pari a quella del protone, ma di segno opposto, cioè negativa. Oggi sappiamo che questa particella non è altro che un elettrone e, durante il decadimento β, viene prodotta anche una terza particella, che per le sue caratteristiche è però difficilissima da osservare sperimentalmente: il neutrino. L'ipotesi che il decadimento β fosse dovuto all'esistenza di una nuova forza, fino ad allora sconosciuta, fu proposta nel 1933 da Enrico Fermi.

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