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FISICA DELLA COSCIENZA
TT 02. «Le Quattro Forze Fondamentali»


Ad oggi i fisici considerano che esistano solo quattro forze fondamentali, più correttamente dette "interazioni fondamentali" in quanto oltre a essere responsabili delle forze in senso stretto, lo sono anche dei decadimenti e delle annichilazioni, cioè dei processi di trasformazione della materia. Queste quattro forze o interazioni sono alla base di tutti gli scambi di energia tra le particelle. Se le particelle materiali rappresentano la matrice strutturale della realtà, le forze sono ciò che dice a tale matrice come comportarsi (ad es. se attrarsi o respingersi, se mantenersi stabile o meno).

Intuitivamente una forza è quel "qualcosa" che permette l'interazione a distanza tra le particelle, non si può definire direttamente cosa sia una forza, possiamo più che altro definirla indirettamente attraverso gli effetti che produce. In effetti la definizione scientifica delle forze come "interazioni" esprime bene il concetto di "azione tra" (due o più elementi).

Wikipedia: In fisica una forza è una grandezza fisica vettoriale che si manifesta nell'interazione di due o più corpi, sia a livello macroscopico, sia a livello delle particelle elementari, che cambia lo stato di quiete o di moto dei corpi stessi.

Ogni forza ha una particella che fa da mediatrice della forza stessa e che viene emessa e assorbita dalle particelle (il fotone per interazione elettromagnetica, il bosone W e Z per la l'interazione debole, il gluone per l'interazione forte e l'ipotetico gravitone per l'interazione gravitazionale).



Diagrammi che descrivono lo scambio dei bosoni mediatori delle forze.


La forza è un vettore (graficamente si rappresenta con una freccia), cioè è una grandezza dotata di intensità, punto di applicazione, direzione e verso, infatti per descriverla compiutamente non basta sapere la sua intensità (graficamente indicata con la lunghezza della freccia), ma anche il punto in cui viene applicata, la direzione dove tale forza si applica e il verso lungo questa direzione.



Nota - Una grandezza che non è vettoriale è definita "scalare" ed è descritta da un numero (detto modulo o intensità) e da un'unità di misura di riferimento. Ad es. una temperatura è una grandezza scalare: 20 di temperatura di un ambiente non hanno un orientamento o un verso, sono 20 e basta.


FOTONI: I fotoni (dal greco photos = luce) sono i responsabili dell'interazione elettromagnetica. Non hanno massa e questo comporta che ha un raggio d'azione infinito. Assegnando il valore 1 all'intensità dell'interazione forte (essendo la più intensa di tutte), quella elettromagnetica ha un'intensità relativa pari a 10-2. I fotoni contribuiscono a determinare la struttura atomica e molecolare, sono responsabili delle reazioni chimiche e delle forze che osserviamo a livello macroscopico (tranne quelle gravitazionali). Tutti gli atomi nel stato fondamentale sono elettricamente neutri, ciò che li tiene insieme è la forza elettromagnetica residua (gli elettroni di un atomo sono attratti dai protoni di un altro e viceversa).

  



I fotoni hanno permesso di comprendere l'esistenza della dualità onda-particella


BOSONI DEBOLI: I bosoni deboli sono responsabili dei decadimenti delle particelle e dei nuclei, agiscono su tutte le particelle, sia quark che leptoni. Sono di tre tipi: Z0, W+, W- (rispettivamente con carica elettrica neutra, positiva e negativa) e tra tutte le particelle mediatrici di forze sono le uniche ad avere una massa. L'intensità relativa è di 10-5. Nel 1967 le interazioni deboli ed elettromagnetiche sono state unificate nelle interazioni elettrodeboli da Steven Weinberg e Abdus Salam.

 

GLUONI: I gluoni (dall'inglese glue = colla) sono i responsabili dell'interazione forte. La teoria che descrive l'interazione forte tra i quark è chiamata CromoDinamica Quantistica (QCD).

L'interazione tra le particelle chiamate adroni (ad es. tra un protone ed un neutrone) è un residuo di quella, ben più potente, che agisce tra i quark all'interno degli adroni stessi e che tiene unite tali particelle composte. La forza espressa dall'interazione forte è permessa dalla cosiddetta "carica di colore" (che non ha nulla a che fare con i colori propriamente detti), per cui l'interazione forte può agire solo tra particelle che possiedono la carica di colore; non avendo leptoni, fotoni e bosoni W e Z tale carica non partecipano a questo tipo di interazione, mentre quark e gluoni vi partecipano. I colori dei quark sono: rosso, blu e verde, gli antiquark hanno gli anticolori: antirosso (ciano), antiblu (magenta) e antiverde (giallo). Gli adroni non presentano carica di colore perché la somma dei colori dei quark di cui sono costituiti deve sempre essere il bianco, inteso come assenza di colore. La forza forte tiene i quark sempre confinati.

 

 

GRAVITONI: Sono i responsabili della forza di gravità, che agisce su tutte le particelle. Ha un raggio d'azione infinito ed una intensità relativa di circa 10-39 è quindi debolissima se rapportata alle altre forze e per apprezzarla bisogna essere molto lontani dalle dimensioni atomiche, ad un livello dove le forze deboli, forti ed elettromagnetiche possano diventare nulle. Allo stesso tempo in ambito macroscopico ha effetti molto grandi. I gravitoni non sono ancora stati rilevati sperimentalmente.

 


C'è da precisare, però, che la gravità (e quindi il gravitone) non trova spazio nel Modello Standard, in quanto non è in grado di fornirgli una teoria quantistica soddisfacente (ed è qui che intervengono le superstringhe o altri modelli).

Le interazioni effettivamente contemplate nel Modello Standard sono illustrate di seguito:


 
Immagine adattata da Wikipedia che mostra le interazioni descritte nel Modello Standard

Per spiegare l'origine delle masse dei fermioni e dei bosoni vettori W e Z (che possiedono una massa, al contrario dei fotoni e gluoni che ne sono del tutto privi) il Modello Standard invoca il campo di Higgs (1964, Peter Higgs), un campo ubiquitario in tutto lo spazio, capace di donare massa alle particelle che lo attraversano, tramite lo scambio di bosoni vettori di Higgs (H0). Maggiore è l'interazione col campo di Higgs e maggiore sarà la massa acquisita. L'ipotesi è che tale campo sia correlato alla rottura spontanea della simmetria tra materia ed antimateria, avvenuta nei primi istanti di origine dell'Universo.

 

Questa ipotetica particella non è mai stata trovata; il fisico americano Leon Lederman definì questa particella "dannata" ("the goddamn particle") proprio perché inafferrabile, ma il termine venne poi trasformato dall'editore in "the God particle" ed è quindi oggi nota come "particella di Dio".

Il fisico italiano Massimo Corbucci è convinto che il bosone di Higgs non esista proprio e che la massa delle particelle emerga direttamente dal Vuoto Quantomeccanico. Ved. "Alla Scoperta della Particella di Dio", Massimo Corbucci (Ed. Macro).

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