I 4 tipi di INTERAZIONE FONDAMENTALI

Interazione gravitazionale

Questo tipo di forza agisce su tutti i corpi che abbiano massa e/o energia. E' di gran lunga la forza più debole tra le quattro, ma ha capacità di agire a lunghe distanze (cosmologiche). Tutti conosciamo l'azione della forza gravitazionale. La teoria che descrive l'interazione gravitazionale è la Relatività generale (Einstein 1916). (Tutt'oggi non possiede una formulazione quantistica compiuta). Nella visione quantistica del fenomeno, si dice che la forza esercitata tra due particelle di materia viene trasportata da una particella di nome gravitone (non ancora osservato). La gravitazione regola la struttura dell'universo, e la forza è sempre attrattiva.

Interazione nucleare forte

Il fisico giapponese Hideki Yukawa lavorò (1935) sulla congettura di Heisenberg sull'esistenza delle "forze di scambio" (1932) e sulla teoria dell'interazione debole di Fermi (1934) dimostrò e verificò che i protoni e i neutroni all'interno del nucleo dovevano scambiarsi delle particelle. Yukawa fu il primo giapponese a vincere il Nobel nel 1949. Questo tipo di forza agisce all'interno dei nuclei atomici tenendo assieme i protoni e neutroni, è l'interazione più forte, ma ha un raggio d'azione molto breve. La teoria che descrive l'interazione nucleare forte in un contesto quantistico si chiama Cromodinamica quantistica (QCD, Quantum Chromo Dynamics) il suo fondatore è Murray Gell-Mann (1953). L'interazione si esercita su particelle elementari chiamate adroni, che a sua volta si suddividono in barioni (protoni e neutroni) e mesoni. Alla base della QCD vi è l'ipotesi che gli adroni siano formati da quark e antiquark (antiparticella). Questi quark che sono le particelle fondamentali, possiedono determinate proprietà quantistiche; i quark sono distinti in sei tipi o sapori ciascun tipo è distinto da un'altra caratteristica chiamata colore (rosso,verde e blu). Ogni sapore (o tipo) di quark esiste nei tre colori. L'idea fondamentale nella QCD è che ogni quark possiede una carica di colore che agisce tra le cariche di colore dei quark che costituiscono gli adroni. Quando due o tre quark si uniscono formando un mesone o un barione, vi è una regola che stabilisce che il colore che si ottiene unendo i colori dei quark costituenti debba essere bianco. Ma la cosa più affascinante è che i quark sono portatori di carica elettrica frazionaria. Questo pone dei rigidi vincoli nella composizione della particelle; il mesone sarà composto da un quark e un antiquark, e i barioni saranno composti da tre quark di colore diverso. L'interazione forte si esercita tra i quark mediante una particella chiamata gluone (dall'inglese glue, colla), che trasporta un colore e un anticolore. Nell'interazione forte i quark si scambiano i colori emettendo o ricevendo un gluone, mantenendo sempre il colore totale bianco. In questo modo abbiamo definito un sistema di scambio che mantiene nulla la variazione di colore di una particella. Inoltre la QCD prevede che gran parte della massa dei quark che formano gli adroni si presenti sotto forma di energia di legame: sarebbe perciò impossibile osservare i quark isolati a causa dell'enorme energia necessaria per tenerli separati. La teoria dei quark è in grado di spiegare molte cose, e valse a Gell-Mann il premio Nobel nel 1969.

Interazione nucleare debole

Questo tipo di forza agisce tra le particelle elementari chiamate Leptoni (elettrone, neutrino, ecc..) si manifesta per esempio nel decadimento radioattivo, cioè nella disintegrazione di atomi radioattivi, in cui un neutrone si trasforma in un protone. Fermi nel 1934 mise a punto le basi teoriche che dimostrarono l'esistenza di una forza simile all'elettromagnetismo ma molto più debole (da cui ne deriva il nome). Fermi lavorò sulla congettura di Heisenberg sull'esistenza delle "forze di scambio" (1932), e sull'ipotesi di Pauli (1931) dell'emissione di un neutrino durante il decadimento (emissione di una particella da parte di un nucleo). L'interazione ha un raggio d'azione molto breve e può essere racchiusa in distanze pari o inferiori alle dimensioni di un nucleo atomico. (Fermi ottenne il Nobel nel 1938).

Interazione elettromagnetica

Questo tipo di forza agisce tra particelle dotate di carica elettrica; è l'interazione che sta alla base dei processi chimici e biologici. L'unificazione dell'interazione elettromagnetica la dobbiamo al fisico scozzese J.C.Maxwell che con le sue equazioni (1876) riuscì ad unificare l'interazione elettrica con l'interazione magnetica. Maxwell dimostrò che l'elettricità e il magnetismo non esistevano separatamente ma l'una era un aspetto inevitabile dell'altro. Vi era l'unica forza elettromagnetica. Nella visione quantistica del fenomeno, si dice che la forza esercitata tra due particelle cariche elettricamente viene trasportata da una particella di nome fotone. Utilizzando la meccanica quantistica il famoso fisico americano Richard Phillips Feynman nel 1948 mise appunto delle equazioni che governano il comportamento degli elettroni e delle interazioni elettromagnetiche (Un sito che rispecchia la sua istrionica natura !). La teoria fu chiamata elettrodinamica quantistica (QED, quantum electrodynamics) e si rilevò tanto valida da essere utilizzata come modello per elaborare equazioni che governassero il comportamento di particelle soggette a interazioni forti e deboli. Per questo lavoro ricevette il premio Nobel nel 1965.

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