Interazioni fondamentali

In natura sono state individuate quattro forze o interazioni fondamentali, che sono alla base degli scambi di energia tra le particelle e che sono responsabili della struttura dell'Universo: l'interazione gravitazionale, l'interazione elettromagnetica, l'interazione nucleare forte e l'interazione nucleare debole. Per energie dell'ordine dei 100 GeV, la forza elettromagnetica e la forza nucleare debole si presentano come un'unica interazione, definita elettrodebole.

Secondo il Modello standard le interazioni avvengono attraverso lo scambio, cioè l'emissione e l'assorbimento, di una o più particelle mediatrici di forza chiamate bosoni di gauge, che costituiscono i quanti del campo che descrive l'interazione. I bosoni di gauge sono bosoni vettori, ovvero hanno spin = 1, eccetto il gravitone, non ancora dimostrato sperimentalmente, che dovrebbe avere spin = 2.

Interazione	Mediatore	Magnitudine relativa	Andamento asintotico	Raggio d'azione
Interazione forte	gluone	$10^{38}$	$r^0$	$1,4 \cdot 10^{-15} \; \text{m}$
Interazione elettromagnetica	fotone	$10^{36}$	$\frac{1}{r^2}$	$\infty$
Interazione debole	Bosoni W e Z	$10^{25}$	$\frac{e^{-Mr}}{r}$	$10^{-18} \; \text{m}$
Interazione gravitazionale	gravitone (?)	$10^0$	$\frac{1}{r^2}$	$\infty$

Unificazione delle forze

Nel 1875, Maxwell per la prima volta riconosce che due forze della natura apparentemente diverse, la forza magnetica e la forza elettrica, sono in realtà manifestazioni della stessa interazione fondamentale. Il capolavoro di Maxwell è la formulazione delle 4 equazioni (oggi note appunto come equazioni di Maxwell) che descrivono in maniera unitaria e completa tutti i fenomeni elettromagnetici (ad esempio: l'attrazione fra due calamite e la propagazione della luce nel cosmo).

Allo stesso modo nel XX secolo si è scoperto che anche l'interazione elettromagnetica e la forza nucleare debole erano due manifestazioni di un'unica interazione, che prese il nome di interazione elettro-debole.

Allo stato attuale delle ricerche, esiste una teoria, nota come Modello Standard, che descrive in modo unitario l'interazione nucleare forte e l'interazione elettro-debole. Il Modello Standard ha ottenuto numerose verifiche sperimentali, anche grazie, tra l'altro, al lavoro del fisico italiano Carlo Rubbia.

Il grande obiettivo della fisica teorica contemporanea è ora quello di integrare l'interazione gravitazionale con le altre, ossia la Relatività Generale con il Modello Standard.

La nuova generazione di macchine acceleratrici dovrebbe consentire di validare il Modello Standard anche per le interazioni forti.

Secondo le moderne teorie di unificazione (ad esempio, la teoria delle stringhe), ad alti livelli energetici (e quindi ad alte temperature) le quattro forze fondamentali si fondono in una sola. Queste condizioni di energia elevata sono proprio previste per i primi istanti dell'Universo: quando questo aveva una età minore di 10^-43 secondi, le quattro interazioni non erano distinte tra di loro. Con il diminuire della densità, la forza di gravità si separò dalle altre tre. Dopo 10^-35 secondi tutte le quattro forze erano separate.

Descrizione dell'interazione

Il raggio d'azione e l'intensità sono i due tratti più caratteristici di ciascuna interazione.

Semplificando, il raggio d'azione di un'interazione può essere pensato come la distanza massima alla quale essa è influente. Ad esempio l'interazione gravitazionale ha un raggio d'azione infinito; per questo motivo il Sole esercita la sua forza anche su corpi lontanissimi come Plutone, e qualunque atomo dell'universo esercita una forza, seppur minima, su ogni altro atomo dell'universo. Anche l'interazione elettromagnetica ha raggio d'azione infinito, mentre interazione forte ed interazione debole hanno raggi d'azione finiti (e particolarmente piccoli, se raffrontati con le scale umane).

L'intensità fornisce una misura dei rapporti di forza tra le interazioni di diversa natura.

Voci correlate

• Forza (fisica)
• Quinta forza
• Teoria della grande unificazione

Collegamenti esterni

• http://scienzapertutti.lnf.infn.it

Bibliografia

• Feynman, Richard P. (1967). The Character of Physical Law. MIT Press. ISBN 0-262-56003-8
• Weinberg, S. (1993). The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. Basic Books. ISBN 0-465-02437-8
• Weinberg, S. (1994). Dreams of a Final Theory. Vintage Books USA. ISBN 0-679-74408-8
• Padmanabhan, T. (1998). After The First Three Minutes: The Story of Our Universe. Cambridge University Press. ISBN 0-521-62972-1
• Perkins, Donald H. (2000). Introduction to High Energy Physics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-62196-8

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