The Forces Of Nature

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Andrea Savia Liceo Scientifico Statale “Enrico Boggio Lera” Catania, Italy [email protected]

The forces of nature

Le forze della natura

Since ancient times the man has been Fin dalle proprie origini l’uomo ha avuto la keen on interpreting and understanding the curiosità di conoscere e di interpretare i fephenomena that surround him, always trying fenomeni che lo circondano, i mutamenti delto give an explanation to the unknown. lo spazio circostante, cercando di darne una Many questions have arisen in the course spiegazione. Molte sono state le domande of times: Why do we see the Sun move in che si è posto: perché vediamo muovere il Sole nel cielo? Di che cosa è fatto? Che cosa the sky? What is it made of? What happens succede al suo interno? inside it? So far the forces we know of are four: Attualmente tutte le forze di cui siamo a g r a v i t y , conoscenza sono quattro: l a g r a v i t à , electromagnetism, the weak interaction and l’elettromagnetismo, the strong interaction. l’interazione debole e It is thought that these l’interazione forte. four forces are Si ritiene che queste responsible for all the quattro forze siano rephenomena that we sponsabili di tutti i fenoperceive and we don’t meni che percepiamo e perceive, they are the anche di quelli che non source of every change. percepiamo, esse stanno Since the discovery of alla base di ogni mutaeach of them a long mento. Fin dalla scoperta di ognuna di loro, ha avuprocess of understanding to inizio un lungo procesand description of their so di comprensione e deproperties started and is scrizione delle sue prostill going on. prietà, tuttora in corso. The man has always ISAAC NEWTON L’uomo è stato sempre been aware of the force consapevole dell’esistenza della forza di of gravity, but only Newton, at the end of gravità, ma solo Newton, alla fine del the 17th century, studied it in a scientific way, explaining his theory according to 1600, ne diede una definizione scientifica, which the force is directly proportional esponendo la sua teoria secondo la quale la

to the product of the mass and inversely proportional to the square of the distances.

As all the matter of the known universe is made by non negative mass, the force is always attractive, which explains why, even if it is much weaker than the other forces, it is easily observable. It acts on a field of infinite extension, it is

forza è direttamente proporzionale al prodotto delle masse e inversamente proporzionale al quadrato delle distanze. Essendo tutta la materia dell’universo conosciuto formata da massa non negativa, la forza è sempre attrattiva: pertanto, pur essendo molto debole rispetto alle altre forze, essa è facilmente osservabile. Essa agi-

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the weakest, as it has an intensity of 10-38 as compared to the strong interaction. In 1797 its existence was experimentally confirmed by Henry Cavendish, who calculated the attraction between two big spheres of lead and other two small balls set in an appropriate way. According to Newton, each body, provided with mass, changes the property of the surrounding space, producing a field of force in the same space; therefore, if other bodies happen to enter this field, they are submitted to its force due to an action at immediate distance, that is without any means of transmission. This conception of Newton’s universal gravitation was challenged by Einstein's theory of the general relativity, which affirms that no physic means is able to

propagate at a speed higher than the light.

sce su un campo di estensione infinita, è la più debole, in quanto ha un’intensità r i s p e t t o all’interazione forte di 10-38. Nel 1797 viene sperimentalmente confermata la sua esistenza da parte di Henry Cavendish, che calcolò l’attrazione tra due grandi sfere di piombo e altre due palline posizionate in modo appropriato. Secondo Newton ogni corpo dotato di massa modifica GRAVITATIONAL FORCE le proprietà dello FORZA GRAVITAZIONALE spazio circostante, producendo nello spazio stesso un campo di forza; quindi se altri corpi vengono a trovarsi in questo campo vengono sottoposti alla sua forza secondo un’azione a distanza istantanea, cioè senza alcun mezzo di trasmissione. Questa concezione della gravitazione universale di Newton venne messa in discussione dalla teoria della relatività generale di Einstein, la quale afferma che

Einstein changed the concept of the gravitational field, not considering it as a force but as a manifestation of the curvature of the space-time. Electricity and magnetism were already known to the ancient Greeks, who discovered that, rubbing a piece of amber, it attracted small objects and that some minerals attracted and repelled one another even at a certain distance. Around 1850s Maxwell inferred, after Faraday and Oersted had observed respectively that a changeable magnetic field gives origin to an electric stream and that an electric stream origins from a magnetic field, that nessun mezzo fisico può electricity and magnetism are propagarsi ad una velocità two forces closely bound and superiore a quella della luthey can be considered two ce. Einstein modificò il condifferent aspects of a single cetto di campo gravitazionale, electromagnetic force. non considerandolo come una The electromagnetic forza ma come una manifeALBERT EINSTEIN force is found among charged stazione della curvatura dello particles, it obeys the law of the spazio-tempo.

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L’elettricità e il magnetismo erano noti già inversely of the square, like gravity, and acts on a field of infinite extension. agli antichi Greci, i quali scoprirono che un It is not easily observable pezzo d’ambra strofinato attibecause, unlike gravity, which rava a sé oggetti minuti e che does not have particles with alcuni minerali si attraevano e n e g a t i v e m a s s , respingevano anche a una electromagnetism interacts certa distanza. with particles both positive and Intorno al 1850 Maxwell negative; all the charged dedusse (dopo che Faraday e particles of the universe tend to Oersted osservarono rispettiannul one another; for this vamente che un campo mareason there is not a prevailing gnetico variabile genera una manifestation of its force. corrente elettrica e che una The weak interaction was corrente elettrica genera atdiscovered after the discovery of torno un campo magnetico) the emission of electrons and che l’elettricità e il magneantineutrins from the nucleus of tismo sono due forze strettaJAMES CLERK MAXWELL radioactive atoms, that is the mente concatenate fra loro e beta decay. possono essere considerati due aspetti diverFermi asserted that these particles do si di una singola forza, quella elettromagnetinot exist before they are issued, but that ca. La forza elettromagnetica si manifesta they are created by the energy of the tra particelle cariche, obbedisce alla legge radioactive nucleus, in the course of the dell’inverso del quadrato, come la forza di transmutation of the neutron into proton. gravità, e agisce su un campo di estensione Fermi’s hypothesis was confirmed by the infinita. Non è semplicemente osservabile verification of the decay of the perché, a differenza della free neutron, which decays gravità, che non ha partiinto a proton, an electron and celle con massa negativa, an antineutrin. l’elettromagnetismo inteThe force that rules the ragisce con particelle sia pophenomenon, the weak sitive sia negative; tutte le interaction, is much stronger particelle cariche than the gravitational and dell’universo tendono ad anmuch weaker than the nullarsi reciprocamente; per electromagnetic one. questo motivo non abbiamo Generally it is the cause of una prevalente manifestathe transmutation of the zione della sua forza. identity of the particles and it L’interazione debole fu supplies the energy necessary scoperta in seguito al rilevato the change of the identity mento dell’emissione di eletof the particles. troni e antineutrini dal nuTRANSMUTATION OF A NEUTRON Moreover, the action range cleo di atomi radioattivi, cioon which it acts differs it from TRASMUTAZIONE DI UN NEUTRONE è il decadimento beta. Ferthe others, because it is null at a distance mi sostenne che queste particelle non esistogreater than 10-16 cm; therefore it can act no prima di essere emanate, ma che vengaonly on subatomic particles. no create dall’energia del nucleo radioattivo, The other force that works at this nel corso della trasmutazione del neu-

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distance is the strong interaction, which trone in protone. Fermi ebbe conferma della acts up to 10-13 cm. sua ipotesi dalla verifica del decadimento del It is the force that binds the neutrone libero, il quale decaparticles constituting the de in un protone, un elettrone nucleus. e un antineutrino. Only the heavier particles La forza che governa queare combined by this force, sto fenomeno, l’interazione therefore the electrons and the debole, è molto più forte di neutrins are not included. quella gravitazionale e molto Since the theory of the più debole di quella elettroquark by Gell-Mann and magnetica. Generalmente esZweig, in 1964, and then with sa è la causa della trasmutathe following confirmation of zione dell’identità delle partithe particle accelerators, the celle, fornisce l’energia al pronature of this force was better cesso del cambiamento di iSTRONG INTERACTION understood; the quark theory dentità delle particelle. Inoltre INTERAZIONE FORTE states that the proton and il raggio d’azione su cui agisce neutron are each formed by three quarks, la differisce dalle altre, in quanto è nulla a each with a fractional charge. una distanza maggiore di 10-16 cm; quindi The strong interaction is the force that può agire solo su particelle subatomiche. binds closely the three quarks present in the L’altra forza che opera a queste distanze nucleon and with weaker intensity links a è l’interazione forte, che agisce fino a 10-13 nucleon with another one. cm. Essa è la forza che lega le particelle che Many people might wonder about such compongono il nucleo. Solo le particelle più questions as: How does a body like the Sun pesanti sono accoppiate a questa forza, subdue another body like the Earth to its quindi ne sono esclusi gli elettroni, i neutrini gravitational force? How does the Sun ecc. Dal momento in cui venne formulata la know about the presence of teoria dei quark, nel the Earth? Or how does an 1964, di Gell-Mann e electron know of the presence Zweig e poi con la conferma of another electron? fornita dagli acceleratori di A family of particles exists, particelle, si comprese mecalled field particles, which is glio la natura di questa forintimately associated to the za; la teoria dei quark sofour forces; these particles are stiene che il protone e il neuthe cause of the transmission trone sono formati ciascuno of the force among the others. da tre quark, ognuno con Each of the two electrons carica frazionaria. creates an electromagnetic L’interazione forte è la field, if they approach at a forza che maggiormente lega certain distance, and deviate i tre quark presenti nel nuREPULSION OF TWO ELECTRONS cleone e in minor intensità through the emission and REPULSIONE DI DUE ELETTRONI lega un nucleone con un alabsorption of photons, which tro. È probabile che molte persone si siano are the particles messangers of the poste la seguente domanda: in che modo un electromagnetic field. corpo come il Sole sottopone un altro corpo As everyone knows, to every particles come la Terra alla sua forza gravitazionacorresponds an antiparticle, therefore

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le? Come fa il Sole a sapere della presenza theoretically we should consider also the della Terra? Oppure come fa un elettrone a antiparticles of a field, but practically we sapere della presenza di un altro elettrone? cannot distinguish the photons from the Esiste una famiglia di particelle, dette parantiphotons, the gluons from the antigluons ticelle di campo, che è intimamente associata and so on. alle quattro forze; queste particelle sono la This unimportance is due to the fact that causa della trasmissione delle forze tra le althe particles and the antiparticles of a field tre. Due elettroni have the same values creano ognuno un of the quantic numbers campo elettromagnethat identify them, such tico, se si avvicinano as the charge, the spin, a una certa distanza, the leptonic and the e deviano attraverso barionic number, l’emissione e strangeness etc. l’assorbimento di foTo every force a toni, che sono le parmessenger particle is ticelle messaggere associated: for the del campo elettromaelectromagnetic gnetico. force we have the Come tutti sanno, photons, for the a ogni particella corgravitational we have r i s p o n d e the gravitons (whose un’antiparticella, existence so far has not quindi teoricamente been ascertained), for ELECTROMAGNETIC FORCE dovremmo tener the weak interaction 0 + FORZA ELETTROMAGNETICA conto anche delle we have the W Z W antiparticelle di campo, ma praticamente non particles and, lastly, for the strong possiamo distinguere i fotoni dagli antifotoni, interaction we have the gluons. i gluoni dagli antigluoni e via di seguito. The gluons and the W- Z0 W+ Questa irrilevanza è dovuta al fatto che le particles, unlike the photons and the particelle e antiparticelle di campo hanno ugravitons, have a big quiet mass, a property guali valori dei numeri quantici che li identifithat justifies their short action range. cano, quali la carica, lo spin, il numero leptoThe photons and the gravitons have a null nico e barionico, la stranezza ecc. quiet mass, consequently they interact on an A ogni forza viene associata una particelinfinite field. la messaggera: per la forza elettromagneThe force that links the quarks, the tica abbiamo i fotoni, per quella gravitaziostrong interaction, is the strongest of all nale i gravitoni (di cui ancora non è stata the others, so strong that the scientists have confermata l’esistenza), per l’interazione not been able to destroy a nucleon up to debole le particelle W- Z0 W+ e infine per now, or any particle which contains some quarks. l’interazione forte abbiamo i gluoni. In the powerful particle accelerator La forza che lega i quark, l’interazione the scientists have never observed some free forte, è la più forte tra tutte le altre, tanto quarks, but they were able to observe the forte che fino ad oggi gli scienziati non sono quarks bound together. riusciti a distruggere un nucleone, o qualunSix types of quarks, or flavours, have que particella contenente dei quark, perché been identified so far: up (u), down (d), farlo richiederebbe un’enorme energia.

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Sorge spontaneo il dubbio charm (c), strange (s), bottom sull’esistenza dei quark. Nei (b), and top (t), the existence of potenti acceleratori di particelwhich was proved only in 1997. le gli scienziati non hanno mai Many scientists have osservato dei quark liberi, ma wondered if these four forces sono riusciti ad osservare i could be connected all together in quark legati insieme. one only , similarly to what Fino ad oggi i quark che Maxwell had done with electricity sono stati individuati sono sei: and magnetism. In the course of the time many su (u), giù (d), incantato (c), theories have been formulated to strano (s), bello (b) e infine try a partial unification, but vero (t), la cui esistenza non è without any experimental proof. stata confermata ma soltanto Around the '60s the ipotizzata per ragioni di simtheoretical physics did not have a metria. clear picture of all the four Molti scienziati si sono f o r c e s , e x c e p t chiesti se queste quattro forSTEVEN WEINBERG electromagnetism, which, with ze si potessero collegare tutte the formulation, in the '20s, of the insieme in una unica, analogamente a quanquantistic electrodinamics (EDQ: it to aveva fatto Maxwell con l’elettricità e il describes the interaction of the magnetismo. Nel corso del tempo si sono forelectromagnetic field with the matter) has mulate teorie che cercavano un’unificazione been understood more than sufficiently. parziale, ma senza alcuna prova sperimentaThey were not able to formulate a le. quantistic gravitational theory, because of Intorno agli anni sessanta i fisici teorici the mathematic complexity; as regards the non avevano un quadro ben chiaro di tutte e weak interaction, the particles messanger quattro le forze, a parte of their own field had not been discovered l’elettromagnetismo, che, con la formulayet and some aspects could not zione, negli anni venti, be explained; as for the strong dell’elettrodinamica quantistiinteraction, the situation was ca (EDQ: descrive even more critic because the l’interazione del campo eletquark theory was not much tromagnetico con la materia) accredited and understood yet. è stato compreso in modo più Later a quantistic theory of che sufficiente. the strong interaction was Essi non sono riusciti a forformulated, the quantistic mulare una teoria gravitaziochromodynamics (QCD) which nale quantistica, a causa della describes its properties and the complessità matematica; per way in which it acts with the l’interazione debole non particles, and one of Weinberg erano ancora state scoperte le and Salam's theories particelle messaggere del proc o n n e c t i n g t h e prio campo e non si riuscivano electromagnetic force with the a spiegare alcuni aspetti; infiCARLO RUBBIA weak force in the so called ne per l’interazione forte la electroweak force. situazione era più critica perché la teoria dei Weinberg-Salam’s theory asserts quark non era ancora tanto accreditata e

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compresa. that the electromagnetic force and the In seguito fu formulata una teoria quanweak one are two different aspects of a t i s t i c a single force. dell’interazione forte, At higher energy these la cromodinamica two forces work in the quantistica (QCD) che same way; we observe ne descrive le proprietà two different forces e il modo in cui agisce because we live in a con le particelle, e la world with relatively low teoria di Weinberg e energy. Salam che unifica la Under the supervision forza elettromagnetiof Carlo Rubbia and ca con quella debole Van der Meer this nella cosiddetta forza theory was proved in CERN elettrodebole. 1983 in the CERN La teoria di Weinparticle accelerator making protons and berg-Salam sostiene che la forza elettroantiprotons collide, and noticing the particles magnetica e debole sono due aspetti diversi messangers of the weak force. di una singola forza. A energia più elevate The electromagnetic force and the queste due forze si comportano nello stesso weak force were unified and the physicists modo; noi osserviamo due forze distinte started to hope to find a theory that unified perché viviamo in un mondo a energie relatithe electroweak force with the strong one vamente basse. La conferma di questa teoria and later even with the gravitational one, si ebbe nel 1983 nell’acceleratore di particelobtaining in this way the native force, the le del CERN facendo collidere protoni e antisuperforce. protoni, sotto la guida di Rubbia e Van der Different hypotheses were presented to Meer, e rilevando le particelle messaggere try to unify the electroweak force with the della forza debole. La forza elettromagnetistrong one. ca e debole erano state unificate e stava iniThey were called Great Unified Theory (GUT) and they all differ just for some ziando a nascere nei fisici la speranza di trodetails. vare una teoria che unificasse la forza eletSo far, though, none has gained relevant trodebole con quella forte e in seguito ansuccess, also because presently we do not che con quella gravitazionale, ottenendo possess certain proofs confirming one of the così la forza originaria, la superforza. FuroGUTs. no avanzate diverse ipotesi che tentavano di In order to have a direct proof we should unificare la forza elettrodebole con quella observe a force that acts in the same way as forte. Esse vennero chiamate Grande Teorithe electroweak force and the strong one a Unificata (GTU) e differiscono tutte solo and to obtain this fusion very high energies per alcuni particolari. have to be obtained, which nowadays is not Tra tutte, ancora, nessuna ha avuto un possible. successo rilevante, anche perché attualmenHowever, the theory can be verified te non possiamo avere delle prove dirette through indirect proofs. che confermino una delle GTU. Per avere In fact, the GUT predicts that the proton una prova diretta dovremmo osservare una is not stable, but that it has an average life forza che si comporta nello stesso modo di of about 1031 years, a figure that depends, quella elettrodebole e di quella forte e per even if not much, from the GUT adopted and ottenere questa fusione si devono rag-

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giungere energie elevatissime, che al giorno that this age is 1021 greater than that of the universe. d’oggi non siamo in grado di raggiungere. However we don’t know exactly the Però si può verificare la teoria tramite prove moment when a proton decays during its indirette: infatti la GTU prevede che il protoaverage life, because it is unforeseeable. ne non sia stabile, ma che abbia una vita Scientists have carried out several media di 1031 anni circa (cifra che dipende, anche se non di molto, dalla GTU adottata) e experiments to find out if the proton is stable che tale età è maggiore di 1021 rispetto a or not : the most famous took place in a salt quella dell’universo. Ma non sappiamo con mine at -600 metres under the Lake Erie, certezza il momento in cui decade un protowhere 8000 tons of purified water were ne nell’arco della sua vita media, perché è checked, thanks to some photomoltiplicator which revealed light impulses. imprevedibile. Per verificare se il protone sia The experiments revealed no decay of the stabile o meno, gli scienziati hanno effettuato degli esperimenti. Il più famoso è avvenuto proton. This result disproofs the simplest GUT . in una miniera di sale a 600 metri sotto il Other more complicate GUTs hypothesise Lago Erie, in cui venivano controllate 8000 tonnellate d’acqua depurata, grazie a dei a longer average life of the proton, but so far no experiments confirming their truthfulness fotomoltiplicatori che rivelano impulsi di luce; have been carried out. l’esperimento non ha rilevato il decadimento At the moment a partial unification of the di neanche un protone. forces has been generally hypothesised, Questo risultato fa crollare le GTU più mainly because it is impossible to obtain semplici. Altre più complicate ipotizzano una such high energy as to single out a vita media del protone più lunga, ma ancora superforce enclosing them all, but may be non sono stati effettuati degli esperimenti one day it will be possible to state that they che ne confermino la veridicità. Attualmente are closely siamo giunti ad ipoconnected. tesi di unificazione We live, as I said parziale delle forze, before, at relatively anche perché non low energy, for this possiamo arrivare a reason we see four raggiungere energie così elevate da indidifferent forces; if viduare una sola suwe lived at an perforza che le racenergy high enough chiuda tutte, ma non to fuse the weak è detto che non riuforce with the sciremo un giorno a electromagnetic confermare l’ipotesi one, we would not CHRONOLOGICAL UNIFICATION OF THE FORCES che esse sono intibe able to point out UNIFICAZIONE CRONOLOGICA DELLE FORZE mamente connesse the difference, but tra loro. Noi viviamo, come ho detto prima, we would be aware of three forces. ad energie relativamente basse, per questo Instead, if we lived at an energy lower motivo vediamo quattro forze distinte; se than the present one, we would probably be vivessimo ad energie più elevate, quanto baable to observe some more forces, perhaps sta per fondere la forza debole con quella discovering that the gravitational force is the elettromagnetica, noi non riusciremmo ad fusion of two different forces. evidenziarne la differenza, ma saremmo a In conclusion, we have walked a long

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way in understanding the nature of our world and its origin, but a longer one lies ahead of us. • •

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Iconography Forza Gravitazionale astrofili.altervista.org/astronomiateorica/ immagini/gravit1.jpg Astrofili Monregalesi Forza Elettromagnetica - hep.fi.infn.it/ sciortino/Lightning_storm_over_Boston__NOAA.jpg - High Energy Physics server of Firenze Physics Department and INFN Forza Nucleare Forte - www.ct.infn.it/ ~rivel/divulgazione/strong.jpg - Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università di Catania Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Catania - These pages are maintained by Giuseppe G. N. Angilella, Roberto Barbera, and Andrea Rapisarda Albert Einstein - www.tubecad.com/2004/ Einstein.jpg - Tube CAD Journal Isaac Newton - www.crystalinks.com/ newton.jpg - Ellie Crystal’s Metaphysical and Science Website - Last Updated Wednesday July 9, 2008 – Ellie Crystal James Clerk Maxwell – http:// outreach.jach.hawaii.edu/ pressroom/2006_jcmbday/Maxwell.jpg Joint Astronomy Centre - Updated: Mon May 19 Repulsione di due Elettroni - Le Forze Della Natura – Paul Davies – Bollati Boringhieri – 1990 - Torino Evoluzione Cronologica delle Forze – Le Forze Della Natura – Paul Davies – Bollati Boringhieri – 1990 - Torino Trasmutazione di un Neutrone - Le Forze Della Natura – Paul Davies – Bollati Boringhieri – 1990 - Torino CERN - www.orbit.zkm.de/files/cern.jpg – Art in the age of orbitization – Gotchi Universe Steven Weinberg - www.unipd.it/stdoc/ weinberg.jpg – Università degli Studi di Padova Carlo Rubbia - www.nndb.com/

conoscenza di tre sole forze. Se invece vivessimo ad energia più basse di quelle attuali, c’è la probabilità di osservare qualche forza in più, magari scoprendo che quella gravitazionale è la fusione di due forze distinte. Tuttavia si sono fatti e si stanno facendo tuttora dei passi avanti per comprendere meglio la natura dell’universo e specialmente della sua origine. • • • •

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