4/01/19

Le fantastiche quattro *

Questo articolo fa parte della serie "I Papalli nel mondo subatomico"

A volte l’accesso alle nozioni di fisica può passare attraverso racconti e favole, usando un linguaggio semplice e comprensibile da tutti. Perciò, chi non conosce quali sono e come si comportano le quattro forze fondamentali dell’Universo, potrebbe trovare in questo racconto ben più di uno spunto per iniziare a colmare le proprie lacune, o almeno questo è l’augurio!

In una galassia, lontana, lontana, vive un Babbo Natale particolarmente bizzarro.

Lui consegna doni davvero particolari, perennemente in ritardo rispetto al Natale.

Tra le varie letterine che gli erano arrivate, una l'aveva particolarmente colpito.

Un bambino davvero curioso, di nome Xyzt, aveva chiesto di poter conoscere e discutere con le quattro forze fondamentali dell'Universo.

Babbo Natale, non poteva certo deludere Xyzt, perciò con la solita calma aveva confezionato quattro pacchetti, ognuno contenente una delle quattro forze fondamentali, da depositare sotto l'albero di Natale del giovanissimo bambino curioso.

Con il solito ritardo che contraddistingue Babbo Natale della lontana galassia i doni erano stati consegnati diversi giorni dopo Natale.

Xyzt non poteva credere ai suoi occhi, quando alzandosi un mattino, sotto l'albero erano comparsi quattro doni.

fig1 albero
Figura 1: Doni Universali

Xyzt, senza un attimo di esitazione aveva deciso di cominciare ad aprire uno dei pacchi consegnati da Babbo Natale.

Una volta aperto il pacco, nella stanza, cominciava a echeggiare una voce: Ciao, io sono la Forza Elettromagnetica e tu chi sei?

Io sono Xyzt, ma cos'è una forza?

Caro Xyzt, prova a pensare a quando spingi qualcosa, oppure a quando tiri qualcosa verso di te: quella che ti consente di spostare questi oggetti è una forza.

Se non spingi non puoi allontanare qualcosa da te, se non tiri non puoi avvicinare qualcosa a te.

Una forza è anche capace di agire a distanza, per cui può spingere o tirare qualcosa senza nemmeno sfiorarla...

E anche tu sei capace di tirare o spingere qualcosa senza nemmeno sfiorarla, chiese Xyzt ?

Certo, anzi questa è proprio la mia caratteristica.

Io avvicino le cariche elettriche di segno diverso e allontano quelle di segno uguale.

fig2 FE01
Figura 2: Forza Elettromagnetica

Ma cosa sono le cariche elettriche, chiese Xyzt ?

Sai è facile perdersi nell'infinitamente grande che caratterizza l'Universo (macrocosmo), ma è altrettanto facile perdersi nell'infinitamente piccolo (microcosmo).

Più ci si avvicina al microcosmo più si scopre un mondo caratterizzato da un immenso spazio vuoto animato da particelle sempre più piccole e bizzarre.

Per esempio ci sono gli elettroni che hanno tutti carica negativa, per cui gli elettroni tra di loro si respingono, oppure ci sono i protoni che hanno carica positiva, per cui gli elettroni subiscono l’attrazione dei protoni dato che le loro cariche elettriche sono opposte.

Ma come fanno tra di loro a capire quando vicino c’è un’altra particella della stessa carica elettrica, da cui tenersi a distanza, oppure una di carica opposta a cui avvicinarsi, chiese Xyzt?

Usano dei formidabili postini che li tengono sempre informati.

Questi formidabili postini sono dei giocherelloni che viaggiano al massimo della velocità possibile, il loro nome è: fotoni.

Sono i fotoni che tengono sempre aggiornate le particelle cariche elettricamente e non a caso loro vengono anche considerate le mie particelle mediatrici, dato che garantiscono un continuo scambio di informazioni, consentendo così alle cariche elettriche di ugual segno di mantenersi a distanza ed a quelle di segno opposto di attrarsi.

fig3 FE02
Figura 3: I Fotoni Particelle Mediatrici

Ma, cara Forza elettromagnetica, a cosa servi, chiese Xyzt?

Per esempio i protoni con la loro carica positiva, insieme ai neutroni (particelle che hanno solo una massa senza alcuna carica elettrica), possono formare il nucleo di un atomo.

Quando un elettrone, con la sua carica negativa, passa da quelle parti, subisce l’attrazione dei protoni presenti nel nucleo di un atomo, quindi è soggetto alla mia forza e, come al solito, ad avvisare l’elettrone sono i fotoni.

L’elettrone, però, è restio ad andare a sbattere contro il nucleo, perciò tenta in tutti i modi di scappare, correndo il più velocemente possibile.

Così finisce per posizionarsi ad una certa distanza dal nucleo, nel suo specifico orbitale, a secondo dell’energia che ha a sua disposizione.

Ma gli orbitali sono come le orbite dei pianeti, chiese Xyzt?

In realtà, caro Xyzt, gli orbitali sono molto diversi dalle orbite.

L’orbita indica con precisione dove si trova un oggetto in un certo istante, mentre l’orbitale indica solo una serie di luoghi posti ad una certa distanza dal nucleo dell’atomo dove potrebbe trovarsi un elettrone.

Nemmeno l’elettrone, però, sa dove si trova istante per istante… infatti se lui si concentra per capire dove si trova esattamente, non sa più né verso dove sta viaggiando né qual è la sua velocità, mentre se si concentra per capire qual è la sua velocità e la sua direzione non ha la minima idea di dove si trova.

Figura 4
Figura 4: Orbitali

Ma in pratica a cosa servi, chiese Xyzt?

Senza di me il nucleo non potrebbe “catturare” gli elettroni, per cui non si potrebbero formare gli atomi, che rappresentano la struttura fondamentale di ciò che chiamate materia.

Il mio ruolo, però, non è solo attrattivo, ma anche repulsivo.

Infatti mantengo a debita distanza i nuclei degli atomi, sia perché i nuclei, grazie ai protoni, hanno carica positiva e quindi si respingono tra loro, sia perché gli elettroni che occupano gli orbitali degli atomi hanno carica negativa e quindi gli elettroni di atomi diversi si respingono tra loro.

Anche quando nel macrocosmo si pensa di toccare direttamente un oggetto considerato solido, non solo questo in realtà è composto soprattutto da grandi spazi vuoti in cui le particelle rappresentano una rarità (anche all’interno di un atomo), ma nel microcosmo non sono gli atomi che si toccano, ma gli elettroni che li circondano che si respingono.

Caro Xytz se tu provi ad attraversare un muro, nonostante questo sia composto soprattutto da spazi vuoti, non ci riesci per colpa mia, poiché gli elettroni si respingono: lo scudo elettromagnetico del muro (la nuvola di elettroni che circonda i suoi atomi) si scontra con lo scudo elettromagnetico del tuo corpo (la nuvola di elettroni che circonda i tuoi atomi) e come tu sai le cariche uguali si respingono.

Per vincere la mia Forza serve tantissima energia, non a caso tra le quattro forze fondamentali, io sono la seconda in ordine di intensità e solo in presenza di altissime temperature e pressioni, come nei nuclei delle stelle, è possibile convincere due nuclei atomici a fondersi tra loro.

Quando un atomo è formato da un numero di protoni uguale al numero di elettroni, complessivamente l’atomo risulta neutro, dato che le cariche positive sono uguali a quelle negative.

Quando, invece, un atomo ha un numero di protoni maggiore del numero di elettroni, la sua carica elettrica complessiva è positiva e si definisce ione positivo, mentre se il numero di protoni è inferiore al numero di elettroni, la sua carica elettrica complessiva è negativa e si definisce ione negativo.

L’universo non è certo uno sprecone, per cui tende sempre a risparmiare energia e se gli ioni sono quelli giusti, pur di ritrovare l’equilibrio ed una complessiva neutralità, alcuni elettroni possono condividere gli orbitali più esterni di atomi diversi, permettendo agli atomi di costruire delle strutture più grandi, dette molecole…. Ma anche in questo caso i nuclei degli atomi continuano a mantenersi a debita distanza, grazie alla mia azione repulsiva.

Anche nel macrocosmo si può notare la mia presenza.

Per esempio, in presenza di una gran quantità di cariche elettriche positive, posso consentire a una grande quantità di elettroni di fluire verso le cariche positive, come la corrente di un fiume che scende a valle si forma così quella che viene chiamata corrente elettrica.

Oppure la mia capacità di agire a distanza si rende evidente ogni volta che si usa una calamita, capace di attirare a se oggetti metallici, senza nemmeno sfiorarli.

Anche se la mia capacità di agire a distanza non ha limiti, man mano che la distanza aumenta diminuisce la mia forza, la mia intensità, pertanto diminuisce velocemente sia il mio potere attrattivo, sia il mio potere repulsivo.

Molto altro si potrebbe dire, soprattutto sui molteplici giochi che i mie informatori segreti o, meglio, i miei mediatori per eccellenza, detti fotoni, possono realizzare insieme agli elettroni, poiché i  fotoni oltre a trasportare le informazioni sono anche capaci di scambiarsi energia con gli elettroni (cederla, prestarla, assorbirla) … ma di questi giochi ne hanno già parlato i papalli nel loro viaggio nel mondo subatomico (qui).

Dopo questa lunga chiacchierata Xyzt, decide di aprire il secondo pacco, contenente la Forza Nucleare forte.

Ciao! Io sono la Forza Nucleare forte, tra tutte sono quella che ha un’intensità maggiore.

E cosa fai, chiese Xyzt ?

Io cerco di convincere i protoni ed i neutroni a rimanere uniti nel nucleo di un atomo.

Il mio compito non è facile, poiché come ti ha già detto la Forza Elettromagnetica, le cariche elettriche dello stesso segno come i protoni, si respingono fra loro.

Io, però, sono 100 volte più forte rispetto alla Forza Elettromagnetica, per cui riesco a trattenere protoni e neutroni tutti insieme nello stesso nucleo.

Inoltre io svolgo un ruolo fondamentale anche nella “costruzione” di Neutroni e Protoni, che sono a loro volta composti da particelle più piccole (quark).

Pertanto, non solo tengo insieme i nuclei degli atomi, ma anche i Protoni ed i Neutroni.

Figura 5
Figura 5. Foza Nucleare Forte

La mia specialità è quella di “legare” fra loro protoni e neutroni, ma il mio raggio d’azione è tutt’altro che illimitato.

La mia opera di convincimento non va oltre il nucleo dell’atomo ed è pari a circa 1 milionesimo di miliardesimo di metro (10-15 metri), quindi non posso certo convincere dei protoni o dei neutroni di passaggio, lontani dal nucleo, ad unirsi agli altri, poiché per me sono troppo lontani, ben oltre il mio limitato raggio d’azione.

Senza di me, però, non potrebbero esistere i nuclei degli atomi e quindi nemmeno la materia nella forma a voi conosciuta!

Non solo, ma il numero di protoni presenti nel nucleo (numero atomico) identificano esattamente l’elemento chimico di ogni specifico atomo. Per esempio un atomo di idrogeno ha un solo protone, uno di Elio ne ha due, uno di carbono ne ha 6, ecc.

Figura 6
Figura 6: Numero Atomico

Anche i neutroni non si lasciano facilmente convincere a stare stipati nel nucleo insieme ai protoni ed il loro numero non incide né sull’elemento chimico né sulla carica elettrica dell’atomo, ma solo sulla sua massa (numero di massa = numero protoni + numero neutroni), originando così ciò che amichevolmente vengono chiamati Isotopi.

Figura 7
Figura 7: Numero di Massa

Ovviamente, anch’io ho delle particelle mediatrici, che trasportano le informazioni.

Per mettere insieme Protoni e Neutroni le informazioni sono trasportate dai Gluoni, mentre per convincere protoni e neutroni a vivere insieme nello stesso nucleo, la mediazione è affidata ad un'altra particella del nome esotico: il Pione (detto anche mesone pi).

Xyzt, dopo aver aperto i primi due pacchi, decide di aprire anche il terzo, contenente la Forza Nucleare debole.

E tu cosa fai, chiese Xyzt ?

Ciao io sono la Forza Nucleare Debole e la mia specialità è quella di consentire a Neutroni e Protoni di trasformarsi, cambiando così il numero atomico e con esso anche il tipo di atomo e l’elemento chimico di appartenenza.

In che senso cambi il nucleo dell’atomo, chiese Xyzt ?

Grazie alla mia forza il nucleo di un atomo decade e si trasforma in un altro atomo, poiché cambiando il numero di protoni nel nucleo, cambia anche il numero atomico.

In genere mi limito a scindere un Neutrone, nelle sue componenti più piccole, trasformandolo in un Protone che rimane all’interno del nucleo ed in un elettrone ed un neutrino che vengono espulsi dal nucleo dell’atomo.

Questa mia azione trasformista viene definita decadimento Beta.

Qualche volta, però, mi diverto a scindere un Protone e trasformarlo in un Neutrone, che rimane all’interno del nucleo ed in un neutrino ed un positrone (che è l’antiparticella dell’elettrone, per cui invece di avere carica negativa ha carica positiva) che vengono espulsi (decadimento beta +).

Figura 8
Figura 8: Decadimento Beta

La mia forza è almeno 100.000 volte più debole rispetto a quella nucleare forte e d’altronde il decadimento di un atomo (processo ben noto a chi sul vostro pianeta si occupa di radioattività) avviene a intervalli di tempo piuttosto lunghi.

Questo intervallo di tempo tra un decadimento e l’altro, diverso da atomo a atomo, viene amichevolmente definito emivita.

Per esempio, se in un atomo di carbonio che contiene 6 protoni, un neutrone si trasforma in un protone con l’emissione di un elettrone ed un neutrino, l’atomo di carbonio decade e si trasforma in atomo di azoto, che è caratterizzato da 7 protoni (1 protone in più del carbonio). Il tempo medio (emivita) di decadimento dell’atomo di carbonio è di 5730 anni.

Il mio raggio d’azione è estremamente limitato, tanto da coincidere circa con il raggio di un neutrone o di un protone, ossia circa 1 miliardesimo di miliardesimo di metro (10-18 metri), dato che la mia capacità di trasformazione interessa una di queste due particelle.

Anche io, come la altre forze, ho delle particelle mediatrici ed i miei messaggeri si chiamano Bosone W e Bosone Z.

La Forza Nucleare debole, però, avverte Xyzt di non confondere il decadimento beta con il più famoso decadimento alpha.

In tal caso, i protagonisti sono degli isotopi di atomi molto pesanti (con un gran numero di protoni e neutroni, come per esempio l' Uranio235 ed il Plutonio239), dove si confrontano la Forza Nucleare Forte che cerca di tenere insieme protoni e neutroni nel nucleo dell'atomo e la Forza Elettromagnetica che con tutte quelle cariche positive (protoni) spinge per allontanare un protone dall'altro.

Tale scontro tra forze contrapposte rende l'atomo instabile (più protoni ci sono più aumenta la probabilità che la Forza Nucleare Forte non riesca a contenere tutti i protoni nel nucleo).

L'atomo per stabilizzarsi cerca di fare la cura dimagrante espellendo dal nucleo una particella Alpha composta da due protoni e due neutroni (come il nucleo dell'elio 4, noto isotopo dell'Elio)... se ciò non è sufficiente espelle un'altra particella Alpha e così via fino a raggiungere il peso forma, guadagnando stabilità.

Anche in questo caso ogni isotopo di atomo pesante ha il suo tempo di decadimento medio (emivita) ed ogni volta che l'atomo si scinde (perdendo due protoni e due neutroni) viene emessa anche una certa quantità di energia (sotto forma di fotoni altamente energetici).

Sei rimasta solo tu a cui poter chiedere che ruolo svolgi, disse Xyzt aprendo l’ultimo pacco, contenente la Forza di Gravità.

Ciao Xyzt, chiariamo subito una cosa, non è nemmeno detto che io sia una forza, ma facciamo finta di essere come le altre.

Io sono capace di convincere qualunque cosa abbia una massa ad avvicinarsi ad altre masse, il mio potere è attrattivo.

Figura 9
Figura 9: Forza di Gravità

Nel microcosmo non posso esprimere tutta la mia esuberanza, poiché anche le particelle più pesanti, come i Neutroni ed i Protoni, hanno una massa molto, molto, molto piccola.

Figura 10
Figura 10: Massa particelle

Rispetto alle altre tre forze sono debolissima, al punto che la mia intensità è pari a cento miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di miliardesimi di volte (10-38) quella della forza nucleare forte.

D’altronde, una semplice calamita, grazie alla forza elettromagnetica, è capace di sollevare una graffetta dal suolo vincendo la forza di gravità associata alla massa di tutto il vostro pianeta (simile alla Terra).

In compenso il mio raggio d’azione è illimitato, anche se con l’aumentare delle distanza la mia intensità diminuisce velocemente.

Nonostante ciò, nel macrocosmo, mi faccio notare eccome.

Grazie a me grandi nubi molecolari possono condensarsi (come ti dicevo io avvicino le masse), fino al punto di costruire una stella e vincere tutte le altre forze messe insieme, al punto di fondere tra loro i nuclei degli atomi (all’interno del nucleo stellare).

Non contenta, dalle polveri rimaste intorno alla stella nascente, costruisco anche i pianeti, che per evitare di finire divorati dalla loro stella cominciano a ruotargli intorno descrivendo delle orbite (te l’avevo detto che il mio raggio d’azione è illimitato).

A volte poi, se la stella è davvero massiccia o acquista massa da qualche stella compagna, sono capace di comprimere la materia oltre ogni limite, addensandola sempre più fino a formare stelle di neutroni o addirittura dei buchi neri.

In quest’ultimo caso neanche i fotoni, la cui velocità è ineguagliabile, riescono a sfuggire.

Come vedi, anche se sono la più debole, quando una grande quantità di massa o energia si addensano, io divento invincibile.

Anche se per ora nessuno l’ha ancora trovata, si mormora che anch’io abbia una particella mediatrice, il cui nome è gravitone.

Xyzt, però, ha ancora un dubbio: come mai all’inizio hai detto che tu probabilmente non sei nemmeno una forza?

Perché più che una forza io sono il risultato dell’interazione tra la presenza di materia/energia e la deformazione che questa produce allo spazio ed al tempo.

In presenza di grandi masse, lo spaziotempo si deforma curvandosi, per cui lo spazio si curva ed il tempo rallenta.

Per esempio, in questa immagine che mi ha regalato Babbo Natale, la luce proveniente da una lontana galassia, quando incontra una grossa massa segue proprio la curvatura dello spaziotempo, per cui appare deformata, come se fosse passata attraverso una lente, solo che questa lente non è il frutto della lavorazione del vetro, ma dell’azione della gravità.

Figura 11
Figura 11: Lente Gravitazionale

Babbo Natale, che per tutto il tempo era rimasto nascosto nel camino è davvero contento di aver consegnato i suoi regali speciali ad un bambino così curioso come Xyzt, perciò prima di risalire sulla slitta, saluta Xyzt e con il suo solito sorriso mormora: sai, in realtà, quelle che appaiono come quattro forze diverse, sembrano rispondere ad un'unica sola forza e perlomeno sulle prime tre il processo di unificazione sembra esser stato compreso.

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Nella sua semplicità, questo articolo introduce argomenti fondamentali che potete approfondire qui:

C'è tanto spazio laggiù in fondo

Dall'Atomo alle stelle e viceversa: struttura atomica, righe spettrali ed elettroni saltellanti

Il decadimento nucleare

Meccanica Quantistica

Relatività Generale ed Effetto Lente Gravitazionale

Il gravitone Nexus

E, se desiderate continuare a giocare con i Papalli per scoprire le meraviglie del mondo subatomico grazie ad un linguaggio adatto anche ai più giovani e ai neofiti, potete farlo QUI.

Buon divertimento!

 

3 commenti

  1. SANDRO

    Vorrei cortesemente un chiarimento in merito alla luce (fotoni) che a causa dell'elevata "forza" di gravità di un buco nero non riesce a fuggire nonostante la sua elevata velocità.

    Mi riferisco alla frase qui sotto:

    "In quest’ultimo caso neanche i fotoni, la cui velocità è ineguagliabile, riescono a sfuggire."

    Ora, visto che il fotone non ha massa, come fa a risentire della forza di gravità?

    O forse è più corretto dire che lo spazio si incurva su se stesso e la luce rimane intrappolata?

    Grazie

     

  2. Paolo

    Caro Sandro, nel racconto non a caso la “forza” di gravità dice: “chiariamo subito una cosa, non è nemmeno detto che io sia una forza, ma facciamo finta di essere come le altre”... e l'ultima immagine si riferisce proprio alla curvatura dello spaziotempo (lente gravitazionale).

    Il racconto, però, cerca di usare un linguaggio semplice e non ha la pretesa di essere esaustivo.

    Comunque, per rispondere alla tua interessante domanda, la RG di Einstein insegna che è lo spaziotempo che si curva in presenza di una “concentrazione” di massa (e/o energia).

    Nel caso di un buco nero, l'orizzonte degli eventi indica il limite oltre il quale la curvatura dello spaziotempo è tale che non consente traiettorie (o meglio geodetiche) verso l'esterno dell'orizzonte stesso... per cui nemmeno la luce può uscirne.

    E' pur vero, però, che l'orizzonte degli eventi è il limite oltre il quale anche usando come velocità di fuga quella della luce (per velocità minori la possibilità di sfuggire al campo gravitazionale del buco nero svanisce ben prima dell'orizzonte degli eventi), questa non è sufficiente  per sfuggire al campo gravitazionale del buco nero (vedi raggio di Schwarzschild : Rs = 2GM/c²).

    Per approfondire questi argomenti in maniera più rigorosa ti consiglio di leggere questi articoli::

    http://www.infinitoteatrodelcosmo.it/buchi-neri/

    http://www.infinitoteatrodelcosmo.it/2017/01/06/la-relativita-generale/

    http://www.infinitoteatrodelcosmo.it/effetto-lente-gravitazionale/

    Paolo

  3. SANDRO

    Grazie Paolo.

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