Categoria: Spazio Pubblicato: May 22, 2013
In realtà, la gravità è la più debole delle quattro forze fondamentali. Ordinate dalla più forte alla più debole, le forze sono 1) la forza nucleare forte, 2) la forza elettromagnetica, 3) la forza nucleare debole e 4) la gravità. Se si prendono due protoni e li si tiene molto vicini, essi eserciteranno diverse forze l’uno sull’altro. Poiché hanno entrambi una massa, i due protoni esercitano un’attrazione gravitazionale l’uno sull’altro. Poiché entrambi hanno una carica elettrica positiva, entrambi esercitano una repulsione elettromagnetica l’uno sull’altro. Inoltre, entrambi hanno una carica interna di “colore” e quindi esercitano l’attrazione attraverso la forza nucleare forte. Poiché la forza nucleare forte è la più forte a brevi distanze, essa domina sulle altre forze e i due protoni si legano, formando un nucleo di elio (tipicamente è necessario anche un neutrone per mantenere stabile il nucleo di elio). La gravità è così debole su scala atomica che gli scienziati possono tipicamente ignorarla senza incorrere in errori significativi nei loro calcoli.
Tuttavia, su scale astronomiche, la gravità domina sulle altre forze. Ci sono due ragioni per questo: 1) la gravità ha una lunga portata, e 2) non esiste una cosa come la massa negativa. Ogni forza si estingue man mano che i due oggetti che sperimentano la forza diventano più separati. La velocità con cui le forze si estinguono è diversa per ogni forza. Le forze nucleari forti e deboli sono a corto raggio, il che significa che al di fuori dei minuscoli nuclei degli atomi, queste forze scendono rapidamente a zero. Le piccole dimensioni dei nuclei degli atomi sono un risultato diretto dell’estrema brevità delle forze nucleari. Due particelle distanti nanometri sono troppo distanti l’una dall’altra per esercitare una forza nucleare apprezzabile l’una sull’altra. Se le forze nucleari sono così deboli per due particelle distanti solo nanometri, dovrebbe essere ovvio che le forze nucleari sono ancora più trascurabili su scale astronomiche. Per esempio, la terra e il sole sono troppo distanti tra loro (miliardi di metri) perché le loro forze nucleari possano raggiungersi. In contrasto con le forze nucleari, sia la forza elettromagnetica che la gravità hanno effettivamente una portata infinita* e muoiono di forza come 1/r2.
Se sia l’elettromagnetismo che la gravità hanno effettivamente una portata infinita, perché la terra è tenuta in orbita intorno al sole dalla gravità e non dalla forza elettromagnetica? La ragione è che non esiste la massa negativa, ma esiste la carica elettrica negativa. Se metti una singola carica elettrica positiva vicino ad una singola carica elettrica negativa e poi misuri la loro forza combinata su un’altra carica lontana, scopri che la carica negativa tende ad annullare in qualche modo la carica positiva. Un tale oggetto è chiamato un dipolo elettrico. La forza elettromagnetica causata da un dipolo elettrico muore come 1/r3 e non 1/r2 a causa di questo effetto di annullamento. Allo stesso modo, se prendete due cariche elettriche positive e due cariche negative e le mettete opportunamente vicine, avete creato un quadrupolo elettrico. La forza elettromagnetica dovuta a un quadrupolo elettrico si spegne ancora più rapidamente, come 1/r4, perché le cariche negative fanno un buon lavoro per annullare le cariche positive. Man mano che si aggiungono sempre più cariche positive ad un numero uguale di cariche negative, la gamma della forza elettromagnetica del sistema diventa sempre più corta. La cosa interessante è che la maggior parte degli oggetti sono fatti di atomi, e la maggior parte degli atomi hanno un numero uguale di cariche elettriche positive e negative. Quindi, nonostante il fatto che la forza elettromagnetica grezza di una singola carica abbia una gamma infinita, la gamma effettiva della forza elettromagnetica per oggetti tipici come stelle e pianeti è molto più breve. Infatti, gli atomi neutri hanno una gamma elettromagnetica effettiva dell’ordine dei nanometri. Su scala astronomica, questo lascia solo la gravità. Se esistesse una cosa come la massa negativa (l’antimateria ha massa positiva), e se gli atomi contenessero generalmente parti uguali di massa positiva e negativa, allora la gravità subirebbe lo stesso destino dell’elettromagnetismo e non ci sarebbe alcuna forza significativa su scala astronomica. Fortunatamente, non c’è massa negativa, e quindi la forza gravitazionale di più corpi vicini è sempre additiva. In sintesi, la gravità è la più debole delle forze in generale, ma è quella dominante su scala astronomica perché ha la portata più lunga e perché non c’è massa negativa.
*NOTA: Nella descrizione precedente, ho usato la vecchia formulazione newtoniana della gravità. La gravità è descritta più accuratamente dalla formulazione della Relatività Generale, che ci dice che la gravità non è una forza reale ma è una deformazione dello spaziotempo. Su scale più piccole dei gruppi di galassie e lontano da masse super-dense come i buchi neri, la gravità newtoniana è un’eccellente approssimazione della Relatività Generale. Tuttavia, per spiegare correttamente tutti gli effetti, bisogna usare la Relatività Generale. Secondo la Relatività Generale e le molte misure sperimentali che la confermano, la gravità non ha una portata infinita ma va via sulla scala più grande dei gruppi di galassie. Quindi, la gravità ha solo un comportamento 1/r2 e una portata “illimitata” sulla scala più piccola dei gruppi di galassie. Ecco perché ho detto che la gravità ha una portata “effettivamente” infinita. Sulle scale più grandi, il nostro universo si sta espandendo piuttosto che essere attirato insieme dall’attrazione gravitazionale. Questo comportamento è previsto dalla Relatività Generale. Su scale più piccole dei gruppi di galassie, lo spaziotempo si comporta prevalentemente come la gravità newtoniana attrattiva, mentre su scale più grandi, lo spaziotempo si comporta come qualcosa di completamente diverso che si sta espandendo.
Temi: elettromagnetismo, forza, gravità, forza nucleare, portata