Immagine di credito: Contemporary Physics Education Project / DOE / NSF / LBNL, viahttp://cpepweb.org/.
Quando si tratta delle leggi fondamentali della natura, possiamo suddividere tutto in quattro forze che sono al centro di tutto nell’Universo:
- La forza nucleare forte: la forza responsabile di tenere insieme nuclei atomici e singoli protoni e neutroni.
- La forza elettromagnetica: la forza che attrae e respinge le particelle cariche, lega gli atomi insieme in molecole e vita e provoca corrente elettrica, tra le altre cose.
- La forza nucleare debole: la forza responsabile di alcuni tipi di decadimento radioattivo e della trasmutazione di particelle fondamentali pesanti e instabili in particelle più leggere.
- E la gravità: la forza che lega la Terra, il Sistema Solare e le stelle e le galassie insieme.
Le quattro forze fondamentali nel nostro Universo. Immagine di credito: Wikimedia Commons utente Kvr.lohith, sotto… a c. c. a.-per-s.a. -4.0 licenza internazionale.
A seconda di come la si guarda, ogni forza ha una scala e una circostanza in cui brilla sopra tutte le altre.
Un atomo di elio, con il nucleo a scala approssimativa. Immagine di credito: Wikimedia Commons utente Yzmo,… sotto una licenza c.c.a.-s.a.-3.0 unported.
Scendi alle scale più piccole-10^-16 metri, o un milione di volte più piccole di un atomo-e la forte forza nucleare può superare tutte le altre. Prendi il nucleo di elio, per esempio: due protoni e due neutroni, legati insieme in una configurazione stabile. Anche la repulsione elettromagnetica tra i due protoni non è sufficiente per superare la forza forte simile alla colla che tiene insieme il nucleo. Anche se togli un neutrone, lasciandoti con due protoni e un solo neutrone, anche quell’isotopo dell’elio è stabile. La forza forte, alle più piccole distanze, supererà costantemente tutti gli altri, e quindi in molte circostanze può essere considerata la più forte.
La galassia Centaurus A, con i suoi getti ad alta energia causati dall’accelerazione elettromagnetica. Immagine… credito: NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Ma prova a costruire il tuo nucleo atomico troppo grande e la forza elettromagnetica prende il sopravvento. Uranio-238, per esempio, sputerà fuori un nucleo di elio ogni tanto, come la repulsione tra le diverse parti del nucleo è troppo grande per la forza forte per tenere tutto insieme. Su scale cosmiche più grandi, sono gli intensi campi magnetici generati dalle stelle collassate e dalla materia carica in rapida rotazione che possono accelerare le particelle fino alle più grandi energie dell’Universo: i raggi cosmici ad altissima energia che ci bombardano da tutte le direzioni del cielo. A differenza della forza forte, non c’è limite alla gamma della forza elettromagnetica; il campo elettrico di un protone può essere sentito dall’altra parte dell’Universo.
Illustrazione schematica del decadimento beta nucleare in un nucleo atomico massiccio. Immagine di credito: Wikimedia… Commons user Inductiveload, creato in Inkscape e rilasciato nel pubblico dominio.
La forza nucleare debole potrebbe sembrare il candidato più forte per la forza più forte, dato il suo nome, ma anche questo relativo debole ha i suoi momenti per brillare. Nelle giuste condizioni, la forza elettromagnetica (che lavora per respingere componenti cariche simili) e la forte forza nucleare (che lavora per legare i nuclei insieme) possono annullarsi a vicenda, consentendo alla forza debole a corto raggio di salire alla ribalta. Quando lo fa, può fare la differenza per la stabilità di un sistema, in quanto può causare decadimento radioattivo (beta), dove un neutrone si trasforma in un protone, elettrone e un neutrino anti-elettrone. Neutroni liberi, molti elementi pesanti e persino il Trizio, l’isotopo instabile trovato nell’acqua radioattiva (tritiata), tutti evidenziano la potenza della forza debole.
Illustrazione di un sistema stellare che forma un pianeta. Immagine di credito: NASA / FUSE / Lynette Cook.
Ma sulle scale più grandi-sulla scala delle galassie, degli ammassi di galassie e altro ancora-nessuna delle forze di cui sopra conta più di tanto. Anche l’elettromagnetismo, la cui gamma può estendersi in tutto l’Universo, non ha molto effetto, poiché il numero di cariche positive (per lo più protoni) e il numero di cariche negative (per lo più elettroni) sembra essere esattamente uguale. Anche osservativamente, possiamo limitare la differenza di carica nell’Universo ad essere inferiore a una parte in 10^34. L’Universo ci sta dicendo che anche se l’elettromagnetismo potrebbe essere molto più forte della gravità tra due particelle qualsiasi, se si ottengono abbastanza particelle insieme che sono complessivamente elettricamente neutre (o vicine ad esso), la gravitazione sarà l’unica forza che conta. La fusione nucleare e la pressione di radiazione associata non possono nemmeno strappare le stelle, poiché la loro forza gravitazionale attraente supera quella spinta energetica verso l’esterno.
Immagine di credito: Sloan Digital Sky Survey, di IC 1101,la più grande galassia individuale conosciuta nel… Universo.
Si possono trovare ammassi di galassie e enormi strutture di grandi dimensioni che coprono più di un miliardo di anni luce in tutto l’Universo. Eppure, se andate alla ricerca di strutture a 8, 10 o 15 miliardi di anni luce, troverete assolutamente zero in tutto il cosmo. La ragione, piuttosto sconcertante, non è dovuta a nessuna delle forze che abbiamo menzionato, ma piuttosto a un fenomeno del tutto inaspettato: l’energia oscura.
L’ammasso di galassie El Gordo (in basso a destra), come ripreso dalla Dark Energy Camera. Non è legato a… le altre strutture nell’immagine. Credito di immagine: Indagine oscura di energia.
Sulle scale più grandi, la fondamentale, minuscola quantità di energia inerente allo spazio stesso-meno di un Joule di energia per chilometro cubo di spazio-è sufficiente per superare anche l’attrazione gravitazionale tra le galassie e gli ammassi più massicci dell’Universo. Il risultato? Un’espansione accelerata, poiché le galassie e gli ammassi più lontani si allontanano sempre più l’uno dall’altro a ritmi sempre più veloci col passare del tempo. Sulle scale cosmiche più grandi, anche la gravità non si fa strada.
Image credit: NASA & ESA, di possibili modelli dell’Universo in espansione.
Quindi chi è il più forte? Sulle scale più piccole, è la forza forte. Per raggiungere le energie più alte, è la forza elettromagnetica. Per le strutture più grandi legate, è la gravità. E sulla scala più grande di tutti, è il misterioso puzzle dell’energia oscura. In termini di grandezza assoluta, l’energia oscura è la cosa più debole di tutte: ci è voluto l’Universo quasi la metà della sua età solo per iniziare a rivelare i suoi effetti, e non è stato nemmeno scoperto dall’umanità fino al 1998. Ma l’Universo è un posto molto grande, e quando sommate l’intero volume dello spazio e guardate al futuro lontano, l’energia oscura sarà l’unica forza che conta alla fine.