Le particelle elementari
Ogni cosa è fatta di atomi, a loro volta composti da elettroni, protoni e neutroni. Ancora, protoni e neutroni sono l’insieme di altre minuscole particelle, dette quarks. Insomma ogni cosa intorno a noi è fondamentalmente un puzzle di pochi tasselli essenziali, che la fisica chiama particelle elementari.
Queste particelle sono pochissime ma il modo in cui possono combinarsi è grandissimo, e per questo il mondo ci appare così vario. Per fare un esempio, ferro e ossigeno li pensiamo come cose completamente diverse e non assimilabili, ma la realtà fisica è che si tratta di elementi composti dalle stesse particelle, semplicemente in numero diverso (per es. il numero di elettroni: l’ossigeno ne ha 8, il ferro 26).
Le interazioni fondamentali
Come fanno le particelle elementari a combinarsi tra loro? Come fa l’una a sentire la presenza dell’altra? Si dice in fisica che le particelle interagiscono e possiamo immaginare l’interazione come una sorta di comunicazione tra loro.
La forza elettrica
Un’interazione semplice da comprendere è quella elettrica. Ci sono le particelle aventi carica positiva e quelle aventi carica negativa. Le particelle con carica opposta si attraggono, con stessa carica si respingono. Ma cosa le sta spingendo ad avvicinarsi o allontanarsi? Una forza, detta forza elettrica, dovuta al fatto che le particelle hanno carica elettrica.
La forza gravitazionale
E la forza gravitazionale? Essa è un altro tipo di interazione, un altro tipo di comunicazione tra le particelle dovuta alla loro massa, una caratteristica diversa dalla carica elettrica. Due particelle aventi massa si attraggono, e la causa della spinta prende il nome di forza gravitazionale.
Whatsapp o Instagram? Forza elettrica o forza gravitazionale?
Possiamo immaginare le interazioni come i diversi modi che hanno le particelle per parlarsi. La carica elettrica è Whatsapp: se entrambe le particelle hanno whatsapp possono comunicare inviandosi messaggini attraverso quell’applicazione. La massa invece è Instagram, un altra applicazione attraverso cui comunicare se entrambe le particelle la possiedono.
Facciamo un passo avanti e immaginiamo che i messaggi che si inviano siano in realtà delle forze. Ogni messaggio che la particella A invia alla particella B su whatsapp corrisponde a una notifica che spinge il telefono. Allora sorge spontaneo chiedersi: “è più forte la notifica da instagram o da whatsapp?”. In fisica chi vince un’ipotetica gara tra forza elettrica e forza gravitazionale?
La terra gira intorno al Sole, l’elettrone gira intorno al nucleo
La Terra e il Sole hanno grande massa e per questo l’interazione gravitazionale è intensa. La Terra è attratta dal Sole e come conseguenza di ciò le gira intorno. Sembrerà assurdo ma la situazione è incredibilmente simile all’interno di un atomo. L’elettrone è carico negativamente, il nucleo positivamente, il risultato di ciò è l’interazione elettrica: l’elettrone che gira intorno al nucleo. La forza gravitazionale è responsabile del moto su larga scala, e per muovere oggetti grandi come la terra serve una forza molto intensa. Questo significa che la forza di gravità è “più forte” di quella elettrica?
Scontro fra titani: forza gravitazionale contro forza elettrica
Non lasciamoci trarre in inganno e ragioniamo. Pensiamo a due elettroni posti l’uno a fianco all’altro. Avendo massa essi sentiranno una certa forza di gravità che tende ad avvicinarli, ma allo stesso tempo avendo stessa carica elettrica tendono a respingersi elettricamente. Cosa succede? Succede che non c’è partita: gli elettroni si respingono come se l’attrazione gravitazionale non esistesse. La forza elettrica è immensamente più intensa di quella gravitazionale. Per darvi un numero, la forza elettrica è circa un miliardo di un miliardo di un miliardo di un miliardo di volte più forte di quella gravitazionale. Tornando al paragone fatto prima, la notifica su Whatsapp è immensamente più intensa di quella su Instagram.
Questa verità è continuamente intorno a noi. Bagnate un dito con dell’acqua e noterete che alcune goccioline restano attaccate al dito, non cadono. La gocciolina sente la forza di gravità della terra, che vuole farla cadere, ma le forze elettriche tengono la gocciolina incollata al dito. Non c’è storia, la forza elettrica è decisamente più intensa di quella gravitazionale.
Lo sapevi che…
Oltre alle interazioni elettriche e gravitazionali esistono altre due interazioni fondamentali, che prendono il nome di interazione nucleare debole e interazione nucleare forte. Quest’ultima, come evoca il suo stesso nome, è la più forte di tutte ed è la responsabile della composizione del nucleo. Quest’ultimo infatti è composto da protoni che, avendo stessa carica elettrica, tenderebbero a respingersi elettricamente ma grazie all’interazione nucleare forte vengono tenuti assieme a formare il nucleo.
a cura di Giuseppe Mansi