La teoria del tutto è il tentativo della fisica teorica di descrivere in un’unica formula matematica il comportamento delle forze fondamentali della natura.
Le forze fondamentali della natura sono alla base del funzionamento dell’universo e, quindi, della vita.
Ciascuna di queste forze (o interazioni) è descritta dallo scambio di una particella “portatrice” che la trasmette, la cui lunghezza d’onda (quantistica) determina il raggio di azione della forza, ovvero la distanza massima entro la quale esercita la sua influenza.
| Forza | Raggio d’azione | Intensità relativa | Agisce su | Particella portatrice |
|---|---|---|---|---|
| gravitazionale | infinito | 10-39 | tutto | gravitone |
| elettromagnetica | infinito | 10-2 | particelle elettricamente cariche | fotone |
| debole | 10-15 cm | 10-5 | leptoni e adroni | bosoni W e Z |
| forte | 10-13 cm | 1 | particelle con carica di colore | gluoni |
La forza gravitazionale
La forza gravitazionale è forse la più conosciuta e facilmente osservabile. Newton la definì come la forza che interviene tra due corpi e diminuisce in modo proporzionale al quadrato della distanza tra i loro centri. La sperimentiamo ogni giorno con il peso corporeo, che misura la forza gravitazionale che la Terra esercita su di noi, o le maree che sono provocate dall’attrazione gravitazionale della Luna sul nostro pianeta.
Einstein generalizza questa legge intuendo che spazio e tempo non sono grandezze fisse (come aveva teorizzato Newton) ma variabili influenzate dalla presenza della massa e dell’energia.
L’immagine più intuitiva che rappresenta la Teoria della Gravitazione è una sfera (la massa di un corpo celeste) che si muove su un piano di gomma (lo spazio) provocando degli avvallamenti: i corpi percorrono le traiettorie (orbite) non seguendo più linee rette, ma le curve causate dalla gravità. La forza di gravità è mediata dallo scambio di una particella priva di massa, il gravitone, che ha un raggio di azione infinito.
La forza elettromagnetica
La forza elettromagnetica (teorizzata per la prima volta nel XIX da Charles Augustin de Coulomb) agisce su particelle cariche elettricamente: può essere attrattiva, se le cariche sono di segno opposto, o repulsiva, se dello stesso segno.
Il fotone è la particella priva di massa responsabile del “trasferimento” di questa forza tra le particelle (protoni e elettroni).
La forza elettromagnetica è causa del magnetismo (la calamita che attrae i metalli), dell’attrito tra due corpi e della corrente elettrica.
La forza nucleare debole
La forza nucleare debole è causa del legame tra gli elettroni e il proprio nucleo all’interno di un atomo. È alla base della radioattività, provocata appunto dalla perdita di elettroni da parte di atomi instabili (nei quali il numero di protoni è maggiore del numero di elettroni).
Le particelle su cui agisce la forza debole appartengono alla classe dei leptoni (dal greco leptós, leggero), di cui fanno parte gli elettroni, i muoni, i tauoni e i neutrini loro associati, ed è mediata da tre particelle di massa elevata, i cosiddetti bosoni vettori intermedi (W+, W– e Z0). Queste particelle sono circa 90 volte più pesanti del protone e la forza debole ha un raggio di azione 100 volte minore del raggio di un nucleo atomico.
La forza nucleare forte
La forza nucleare forte (o interazione forte) è responsabile delle reazioni nucleari e del legame che tiene insieme i singoli nuclei atomici. In origine era considerata una forza agente tra protoni, considerati particelle indivisibili. Gli esperimenti a energie elevate hanno mostrato che anche i protoni sono composti da sub-particelle elementari, chiamate quark, che possiedono una loro carica elettrica (diversa dall’elettricità come noi la intendiamo) chiamata carica di colore. L’interazione forte è mediata da particelle chiamate gluoni che hanno masse di 90 volte minori di quelle dei bosoni W e Z e quindi un raggio d’azione 90 volte maggiore, pari appunto alle dimensioni del più grande nucleo atomico.
Queste quattro forze hanno intensità molto differenti tra loro e agiscono tra particelle elementari tra loro differenti. Anche le leggi matematiche che descrivono queste forze sono tra loro differenti: la Teoria del Tutto è quella branca della fisica che sta tentando di trovare una formula che unifichi le quattro forze.
Einstein, con la sua Teoria della Relatività Ristretta e Teoria della Relatività Generale, fu tra i primi a cercare una Teoria del Tutto, ma ancora oggi non si è arrivati alla soluzione.
Il film su Stephen Hawking
La Teoria del Tutto è stata la ragione di vita anche di uno degli scenziati moderni più conosciuti, Stephen Hawking, raccontata anche dal film “La Teoria del Tutto“, uscito da poco nelle sale cinematografiche, che racconta la sua vita.
