LE FORZE
FONDAMENTALI
Ogni cosa solida, liquida o gassosa esistente nell’Universo è così
composta. come i nostri sensi la intercettano, solo perché i suoi atomi sono
tenuti assieme dalla forza elettromagnetica, che attira gli elettroni di carica
negativa attorno al nucleo di carica positiva; i nuclei dei suoi atomi si
reggono, nonostante i protoni che li compongono siano di carica positiva,
perché interviene la forza nucleare che non li rende incompatibili. Quindi
la forza elettromagnetica e la forza nucleare intervengono a livello
atomico, particellare e subparticellare; la forza di gravità, invece,
interviene a livello macroscopico nel nostro quotidiano e regge l’intero
Cosmo. Ecco presentate, forse un po’ grossolanamente, le tre forze
fondamentali della natura.
Iniziamo a tentare di capire cos’è la forza gravitazionale universale.
LE LEGGI DI KEPLERO –
I legge –
Le orbite descritte dai pianeti intorno al sole sono ellissi di cui il sole
occupa uno dei fuochi.
II legge –
Il raggio vettore che dal sole va verso un pianeta spazza aree uguali in
intervalli di tempo uguali.
III legge –
Il rapporto tra il cubo del raggio dell’orbita e il quadrato del periodo
di rivoluzione è lo stesso per tutti i pianeti.
Quindi se indichiamo con R la distanza media pianeta – sole,
con T il periodo di rivoluzione
e con K la costante, avremo che
R³/T² = K e quindi:
T² = R³/K
Legge di gravitazione universale di Newton valida per tutti i corpi
dell’Universo.
Due corpi di massa inerziale m1 ed m2, posti ad una distanza r, si
attraggono mediante la seguente formula:
F = Gm1m2/r²
dove G è la costante di gravitazione universale.
Il valore di questa costante è:
G = Fr²/m1m2 = 6 x 10-11 N x m²/Kg²
Questo valore è stato calcolato da Isaac Newton.
Il valore odierno, molto più preciso di quello di Newton, corrisponde a:
G = 6,67 x 10-11 N x m²/Kg²
Passiamo adesso all’ elettromagnetismo
La carica elettrica è rappresentata dall’ unità di quantità di elettricità, detta
Coulomb (C), dal suo scopritore omonimo.
La carica elettrica negativa dell’ elettrone è:
-e = - 1,6021 x 10-19 C
Legge di conservazione della carica elettrica:
la somma algebrica delle cariche elettriche in un sistema chiuso è
costante.
Legge di Coulomb –
Se indichiamo con F l’intensità della forza (attrattiva o repulsiva) che
ciascuno dei due corpi in questione esercita sull’altro,
con Q1 e Q2 le loro cariche elettriche,
con r la loro distanza
e con K0 il coefficiente di proporzionalità, avremo la formula seguente:
F = K0Q1Q2/r²
Il coefficiente sarà, pertanto, eguale a:
K0 = Fr2/Q1Q2 = 8,99 x 109 Nm²/C²
Induzione elettrostatica :
In prossimità di un corpo carico, le cariche libere di muoversi nel
corpo neutro si spostano; quelle della stessa carica inducente si
allontanano, quelle di segno opposto si avvicinano, pertanto le due
parti del conduttore indotto si elettrizzano con segno opposto e cariche
eguali.
Elettrizzazione per strofinìo:
Gli elettroni che si trovano sulla superficie di uno dei corpi sono
strappati da esso e si portano sull’altro corpo.
Polarizzazione di un isolante:
Gli atomi di un corpo neutro, in presenza di un corpo carico
positivamente (ad esempio), si polarizzano, ossia si orientano
disponendo gli elettroni verso il corpo e allontanando i nuclei positivi.
Campo elettrico:
Il campo elettrico è una regione di spazio sulla quale agisce una forza
elettrica emanata da un corpo carico.
Se indichiamo con
E = campo elettrico
+q = carica elettrica
F = forza, avremo che:
E = F/+q (Newton/Coulomb)
Ma sostituendo ad F la precedente Legge di Coulomb avremo:
E = k0Q1Q2/r²/+q
e semplificando ancora
E = k0/r x Q/r²
Energia potenziale elettrica indicata con U –
L’energia potenziale elettrica di un sistema di cariche è il lavoro
compiuto da forse esterne per costruire il sistema, cioè portare le
cariche da una situazione iniziale (ferme e lontane) ad una situazione
statica ed attuale
U2 = U1 + W
Il potenziale elettrico è il rapporto tra il lavoro W - p (compiuto da una
forza esterna al sistema per trasportare una carica di prova +q da
lontano al punto p) e il valore di questa carica.
Se indichiamo con Vp il potenziale elettrico avremo che:
Vp = W - p/q = Joule/Coulomb = V (volt)
La differenza di potenziale sarà:
Va-b = Vb – Va
ma, come abbiamo visto,
W - b = qVb e, quindi,
W - b = qVa + Wa – b
Uguagliando i termini avremo:
qVa + Wa – b = qVb, da cui
Wa – b = q(Vb – Va)
Relazione tra campo elettrico e differenza di potenziale :
poiché la forza esterna è uguale e contraria a quella del campo si avrà:
F = qE
Quindi Wa – b = qEs, dove s è la distanza tra A e B.
Pertanto V = Vb – Va e, sostituendo,
V = Wa – b/q = qEs/q =Es
La capacità elettrostatica di un conduttore elettrico:
C = Q (carica)/V (potenziale)
Si misura in farad:
1 F = 1C/1V
Parliamo adesso della corrente elettrica, la cui intensità si misura in
Ampere, dal nome del suo scopritore:
i = Q/t
pertanto 1 Ampere sarà uguale ad 1 Coulomb in 1 secondo.
Poiché 1 C = 6 x 108 elettroni,
quando la corrente in un filo è equivalente ad 1 A, passano attraverso
una sezione di filo 6 x 108 elettroni ogni secondo.
Il circuito elettrico è un insieme di conduttori connessi l’uno all’altro
in modo continuo e collegati ai poli + e – di un generatore.
Potenza elettrica –
La potenza elettrica può essere espressa con la seguente relazione:
P = VI e si esprime in Watt (1 W = 1v x 1 A)
1000 W = 1kW = 10³ W
Un’unità di misura legata al Watt è il kilowattora (simbolo kWh), molto
usato nel campo elettrico; si può scrivere a proposito:
1 kWh = 1 kW x 1h = 10³ W x 3.600 sec = 10³ J/sec x 3,6 x 10³ sec =
3,6 x 106 J
La legge di Ohm –
La resistenza di un conduttore elettrico percorso da una corrente di
intensità pari ad 1 A, quando ai due estremi la differenza di potenziale
è uguale ad 1 volt, è pari ad 1 Ohm () e la sua formula è:
R = V/i.
Allo stesso modo, la potenza elettrica sviluppata in un conduttore
sarà:
P = Vi ( come abbiamo visto poco prima).
La II Legge di Ohm (Resistività di un conduttore) –
La resistenza elettrica di un filo conduttore è direttamente
proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla
sua sezione:
R = l/s, dove è il coefficiente di resistività o resistenza specifica.
La resistività si misura in x m.
Effetto Joule –
Gli elettroni liberi dentro un filo conduttore sono accelerati da un
campo elettrico e acquistano energia cinetica interagendo con gli ioni
del reticolo cristallino; cedono energia cinetica negli urti e la
riacquistano dal campo elettrico costante. Gli ioni, a loro volta,
acquistano energia dalle collisioni con gli elettroni, si muovono più
rapidamente e la temperatura del filo aumenta sensibilmente.
Estrazione degli elettroni da un metallo –
Gli elettroni non escono mai dal metallo a meno che non gli si fornisca
energia pari al lavoro di estrazione degli elettroni di conduzione del
metallo, poiché all’interno del metallo le forze attrattive degli ioni
positivi sugli elettroni di conduzione si equivalgono. Il lavoro di
estrazione si misura in elettronvolt (eV); in particolare l’effetto
fotoelettrico, che abbiamo già incontrato nell’ ottica, è uno dei modi
per estrarre elettroni da un metallo.
Effetto Volta –
La differenza di potenziale, espressa in volt, che si stabilisce fra due
metalli, è uguale alla differenza di segno opposto fra i lavori di
estrazione degli elettroni dai due metalli.
La dissociazione elettrolitica
E’ un fenomeno che avviene quando un elettrolita (sostanza che,
disciolta in acqua, la rende conduttrice) viene sciolto in un solvente. I
portatori di carica sono gli ioni in cui le molecole dell’elettrolita si
suddividono in acqua (se questa è il solvente).
Elettrolisi
E’ il passaggio di corrente che si ha quando s’immergono in una
soluzione elettrolitica due elettrodi (anodo con potenziale più alto e
catodo con potenziale più basso) e si noterà una migrazione di ioni
(molecole suddivise dal solvente) verso i due elettrodi.
Leggi di Faraday
I Legge –
Le masse delle sostanze che si liberano sugli elettrodi sono
direttamente proporzionali alle quantità di carica che hanno
attraversato la soluzione.
Se indichiamo con N = elettrodo, con m = massa di ioni, con q = carica
elettrica, con Ma = mole della sostanza, con Na = Numero di Avogadro,
avremo:
m = Ma/ Na
Se indichiamo ancora con e = carica dell’elettrone, con z = valenza dello
ione e con q = multiplo di carica di e avremo:
q = ze
Indicando con M = massa di sostanza che si libera presso l’elettrodo si
avrà:
M = Nm = Nma/ Na
Indicando con Q = carica che giunge all’elettrodo avremo:
Q = Nq = Nze
Dividendo:
M/Q = Nma/ Na/Nze = Ma/Naze
Ed anche:
M = Q Ma/Naze
II Legge di Faraday –
Una eguale quantità di carica che attraversa soluzioni elettrolitiche
diverse libera agli elettrodi masse di sostanze direttamente
proporzionali ai rispettivi equivalenti chimici (rapporto tra il peso
atomico in grammi e la sua valenza).
Il campo magnetico –
Un campo magnetico è generato da cariche elettriche in moto e queste
sono soggette a forze generate dal campo stesso.
Gli atomi sono campi magnetici e piccoli circuiti elettrici ma hanno
orientamenti casuali e diversi; un campo magnetico impone
l’orientazione e polarizzazione di tutti gli atomi, pertanto il metallo
diviene una calamita e rimarrà così anche dopo la soppressione del
campo.
Se indichiamo con F = forza del campo
con i = intensità della corrente
con l = lunghezza del conduttore
con B = costante
avremo:
F = Bil
Quindi B = F/il (espressa in Tesla)
1 T = 1N/1A x 1m
Induzione elettromagnetica –
La tensione è indotta dalla variazione del campo magnetico.
Se indichiamo con = flusso
con B = intensità del campo magnetico
con S1 = area della proiezione della superficie sul piano perpendicolare al
vettore B avremo:
= BS1 (espresso in weber)
1 weber = 1 Tesla x 1 m2
Legge di Faraday – Neumann
Se indichiamo con fem = forza elettromotrice indotta
con = variazione di flusso
con t = variazione di tempo
fem = /t
quindi i = fem/R = 1/R x /t
Legge di Lenz La corrente indotta genera un campo magnetico che ha lo stesso verso
del campo inducente se il flusso sta diminuendo, ha verso opposto se il
flusso sta aumentando.
Autoinduzione –
Se in un circuito varia la corrente elettrica varia anche il flusso del
campo magnetico. Si genera una corrente autoindotta.
Fem = Li/t dove L è il coefficiente di autoinduzione.
Avremo quindi che:
= Li oppure L = /i
Il coefficiente così ottenuto si misura in henry (H)
Pertanto 1H = 1Weber/1A
La nostra osservazione ci porta a concludere che l’elettricità e il
magnetismo sono la stessa forza e agiscono in sinergia perfetta; inoltre la
carica elettrica in movimento, come abbiamo visto prima, influenza e crea
il campo elettromagnetico e ne è a sua volta influenzata. Una perfetta
interdipendenza tra campo e materia, come fossero due aspetti della
medesima realtà.
Le onde elettromagnetiche
La luce, i raggi x e le onde radio sono tutte onde elettromagnetiche.
Legge di Stefan – Boltzmann
Se indichiamo con I = intensità d’irraggiamento, con Etot = energia totale
emessa in un intervallo t da un corpo nero, con S = superficie di un corpo
nero, lo stesso corpo nero = sistema fisico in grado di assorbire onde
elettromagnetiche di tutte le lunghezze d’onda, avremo che:
I = Etot/St o anche
I = T4, dove è la costante di Stefan – Boltzmann e T la temperatura
assoluta.
Abbiamo così presentato le prime due forze fondamentali della natura,
quella gravitazionale e quella elettromagnetica; adesso presenteremo la
forza nucleare forte, propria dei nuclei dell’atomo, e per fare ciò
descriveremo in linea di massima com’è fatto un atomo. Infine vedremo il
perché esistono queste forze e questi campi, tratteremo la relatività ristretta
e la relatività generale elaborate da Albert Einstein e tutti i tentativi di
elaborare una teoria unificata delle tre forze, con un’equazione matematica
che spieghi in poche cifre tutto l’Universo e il suo perché.
La forza nucleare forte e l’atomo con le sue particelle
Le molecole, ultimo mattone delle sostanze, sono composte da atomi,
mattoni del centinaio di elementi esistenti in Natura. Anche l’atomo è
scomposto in nuclei, di complessiva carica elettrica positiva e di stati
orbitali contenenti onde di probabilità con la possibilità di trovare elettroni,
di carica elettrica negativa. Le cariche opposte danno stabilità all’atomo;
nella combinazione di elementi la cessione di elettroni e la conseguente
formazione di ioni positivi e negativi che si attraggono, assicura stabilità
alla molecola. Si rammenta che il nucleo degli atomi è composto da
neutroni, di carica elettrica neutra, e da protoni, di carica elettrica positiva.
La forza nucleare forte impedisce ai protoni di allontanarsi l’uno dall’altro
e di rendere fortemente instabile il nucleo e la materia. Nello specchietto
seguente vedremo quali sono le particelle più importanti esistenti in natura.
PARTICELLE ANTIPARTICELLE
LEPTONI neutrino
elettrone
ee+ (positrone)
tau
+
muone
+
fotone
ADRONI
Mesoni pione
kaone
eta
+
k+ k°
°
k° k-
ADRONI
PARTICELLE ANTIPARTICELLE
Barioni protone
p
p
neutrone
n
n
lambda
sigma
csi
omega
+ ° °
+ ° °
come si può notare ad ogni particella corrisponde una sua antiparticella
che, tendenzialmente, presenta segno di carica opposto rispetto alla sua
particella.
Per tentare di riunire la forza elettromagnetica con la forza nucleare forte
ed anche nel tentativo estremo di dare un senso alla materia, assegnando
precisi mattoni base per le particelle – come ad esempio gli elettroni – si è
ritenuto e si ritiene tutt’ora con sempre maggiore convinzione che i protoni
e i neutroni siano costituiti da quark, ritenuta una particella fondamentale
della materia. Finora non è stato possibile individuare un quark da solo – si
ritiene infatti che siano organizzati in coppie o tripletti – ma si è potuto
osservare soltanto una serie di configurazioni dinamiche possibili.
Ogni neutrone sarebbe formato da tre quark, uno di carica elettrica 2/3e,
dove per e sta la carica controbilanciata dell’elettrone, e due di carica
elettrica –e/3; la somma delle cariche dei tre quark, come si può vedere, dà
la carica neutra del neutrone, cioè e = 0.
Ogni protone, invece, risulterebbe formato da tre quark, uno di carica
elettrica – e/3 e due di carica e2/3; sommandoli avremo che e2/3 + e2/3 =
e4/3. Sottraendo la carica negativa di – e/3 avremo e3/3 = e.
E’ chiaro che se il protone e il neutrone non sono particelle fondamentali
della materia non sono neppure responsabili della carica elettrica positiva,
né della forza nucleare forte; responsabili di tali forze sono i quark.
Per quanto concerne l’interazione gravitazionale si è sempre sospettato che
la forza fosse prodotta da una nuova particella non ancora indagata, il
gravitone; al momento non risulta essere stata scoperta tale particella né vi
sono tracce, negli esperimenti del sub – atomo, che facciano risalire al
gravitone. Comunque la teoria della relatività generale propone, per quanto
concerne la gravitazione universale, un’interessante teoria e un disegno
cosmico confermato oggi, in gran parte, dagli esperimenti di laboratorio.
LA RELATIVITA’ SPECIALE O RISTRETTA
In primis la teoria della relatività ristretta pone l’accento sulla
immutabilità della velocità della luce, pari a 3 x 108 m/sec, qualunque
sia il suo sistema di riferimento ed anche in presenza di composizioni
di velocità o sistemi accelerati.
Il secondo punto è l’equivalenza tra massa ed energia nella celebre
equazione:
E = mc² dove c è la velocità della luce.
Ad esempio l’energia di riposo di 1 gr di materia è uguale a 1014 J (che
sarebbe il corrispettivo dell’energia elettrica consumata in un mese da
100.000 persone).
Pertanto la massa non è altro che una rappresentazione dell’energia,
uno dei suoi aspetti osservabili.
Gli elettroni viaggiano sempre, negli acceleratori di particelle, ad altissime
velocità ma non superano mai la velocità estrema di c.
Se un elettrone non può superare c dove finisce l’energia spesa dal campo
elettrico che continua ad accelerarlo?
L’accelerazione di un elettrone vale:
E = nev
Dove E = campo elettrico
e = carica elettrica dell’elettrone
n = il numero di volte che l’elettrone incontra la tensione acceleratrice
v = tensione acceleratrice.
A basse velocità l’energia elettrica spesa è proporzionale al quadrato della
velocità acquistata (quindi uguale all’energia cinetica)
E = 1/2mv²
Ad alta velocità occorre spendere un’energia E crescente per far aumentare
il quadrato della velocità
E = (m – m0)c²
Dove m = m0/√1 – (v/c)²
Abbiamo indicato con m0 la massa a riposo della particella considerata e
con m la massa relativistica.
Possiamo anche scrivere m - m0 = m
quindi E = mc²
o anche E = mc²
Facciamo un esempio:
Una massa di g 1 a riposo, per un’ipotesi irrealizzabile viaggia alla
velocità c. Calcoliamo la massa a tale velocità rispetto ad un osservatore
fermo.
Dati:
m=g1
v = 3 x 108 m/s
c = 3 x 108 m/s
Si avrà:
m = m0/√1 – (v/c)² = 1/√1- (3 x 108/3 x 108)² = 1/√1 - 1² = 1/√0 =1/0 = ∞
La massa di 1 g diverrebbe infinita per un osservatore in stato di quiete.
Così come un oggetto di una data lunghezza che venisse osservato da uno
scienziato con velocità c, risulterebbe contratto fino a 0 in base alla
seguente formula:
l = l0√1 – (v/c)²
dove l0 è la lunghezza dell’asta rispetto ad un osservatore fermo
ed l la lunghezza dell’asta rispetto ad un osservatore in movimento.
Allo stesso modo si avrebbe dilatazione dei tempi per un osservatore in
movimento rispetto ad uno fermo in base alla formula:
t = t/√1 – (v/c)²
dove t' è il tempo per un osservatore in movimento v
e t è il tempo per un osservatore in stato di quiete.
Un osservatore in movimento che potesse viaggiare alla velocità della luce
sarebbe osservato dall’osservatore in quiete con un tempo così dilatato da
risultare nullo; l’osservatore in movimento, d’altro canto, vivrebbe il suo
tempo come se stesse scorrendo normalmente.
Come si può notare, la teoria della relatività rimuove il concetto di tempo
assoluto, valido per ogni sistema di riferimento; il tempo è solo una
concezione umana e può risultare diverso per altri osservatori quando si
tratta a velocità prossime a quelle della luce.
Approfondiremo questi temi nell’ultimo affascinante capitolo, soprattutto
parleremo del concetto di tempo inteso non più come grandezza fisica
astratta ma relegato, piuttosto, al ruolo di concezione umana, frutto del
pensiero razionale e creazione artificiosa della mente.
LA RELATIVITA’ GENERALE O TEORIA GRAVITAZIONALE
DEL COSMO
La relatività generale investe il problema del campo gravitazionale e
associa il tempo allo spazio creando la quarta dimensione, appunto lo
spazio – tempo. La presenza di masse nell’Universo genera una distorsione
dello spazio – tempo, una curvatura dovuta proprio alla presenza della
massa; più grande è la massa più forte è la curvatura e tutti gli oggetti che
si trovano nei pressi della massa in questione scivolano lungo la curvatura
e cadono sulla massa, come se fosse questa stessa ad attirarli verso la sua
superficie.
Lo spazio non è più tridimensionale ma è, quindi, associato al tempo, col
quale forma un continuum quadridimensionale; lo spazio – tempo è come
un’entità trasparente che permea ogni cosa, un flusso energetico costante
che subisce trasformazioni in presenza di grandi e piccole masse. Queste
curvano lo spazio – tempo da ogni punto della massa, che supponiamo sia
sferica come la terra; se noi facciamo cadere una biglia di vetro, questa,
seguendo la curvatura dello spazio – tempo attorno a noi, scivolerà verso
la terra. La geometria euclidea non è più valida in questa superdimensione
curva a 4 dimensioni e la forza gravitazionale potrebbe essere, in futuro,
risolta in favore di un effetto dello spazio – tempo a 4 dimensioni.
Le forze tra particelle sono rappresentate come scambio di altre particelle e
i concetti di forza e materia, pertanto, sono unificati; le forse che tengono
uniti protoni e neutroni sono così intense, ovvero la velocità dei
componenti è talmente elevata, che è indispensabile la descrizione di tale
ambiente in un quadro relativistico, secondo il quale anche le forze sono
particelle. In effetti i protoni e i neutroni si muovono a velocità prossime a
c all’interno del nucleo disegnando onde quantiche di probabilità
all’interno delle quali vi è la probabilità, più o meno alta, di trovarli.
Quindi non è possibile la distinzione tra particelle costituenti e particelle
con forze di legame e non si può più pensare ad un Mondo che possa
ricercare la teoria unificata delle tre forze oppure i mattoni fondamentali
della materia. Vedremo il perché di tutto questo nell’ultimo capitolo sui
quanti.
Citiamo ora alcune frasi citate da grandi scienziati del passato –
F. Capra: “Lo spazio e il tempo sono una drammatica creazione della
mente”.
Henry Morgenan: “La teoria della relatività riconosce che la geometria
euclidea è una costruzione della mente e non peculiarità propria della
natura”.
Osserva Albert Einstein: “Due osservatori in moto con velocità diverse
ordineranno diversamente gli eventi nel tempo; non esiste lo spazio
assoluto indipendente dall’osservatore, così come il tempo non è assoluto
per osservatori diversi in regioni diverse del Cosmo.”
Dice Mendel Sachs: “Con la teoria della relatività le coordinate spazio e
tempo sono solo elementi di un linguaggio usato dall’osservatore per
descrivere il suo ambiente.”
Nella fisica relativistica, quando ci avviciniamo alla velocità c le
lunghezze si contraggono, il tempo si dilata e la massa tende a .
Tutte queste misure fisiche, che sembravano assolute, dipendono dal moto
dell’oggetto rispetto all’osservatore. Ad esempio negli esperimenti di
diffusione, in cui le particelle si urtano a grandissime velocità, la
contrazione relativistica è elevatissima (le particelle diventano schiacciate
su sé stesse). Gli orologi in moto rallentano, le particelle che si muovono
ad una velocità pari all’80% di quella della luce vivono 1,7 volte di più
delle loro gemelle lente, quelle che si muovono ad una velocità pari al 99%
di c vivono 7 volte di più; ma la loro vita media è rimasta uguale, soltanto
rispetto all’osservatore in stato di quiete vivono di più.
Se, ad esempio, un essere vivente intelligente vive sulla superficie di una
sfera ed un altro vive confinato su una superficie piana e tutti e due
iniziano a studiare la geometria, tracciando una linea retta tra due punti, si
avranno due risultati differenti. Il primo avrà una linea curvata che seguirà
la superficie della sfera, il secondo avrà il risultato di una retta euclidea. Se
studieranno poi i triangoli, l’essere sul piano osserverà che la somma degli
angoli di qualsiasi triangolo è sempre di 180°, mentre l’essere sulla sfera
argomenterà che la somma degli angoli di qualsiasi triangolo è sempre
maggiore di 180°. Se poi studieranno i cerchi, l’essere sul piano vedrà che
la circonferenza è uguale sempre a 2 volte il raggio, l’essere sulla sfera,
invece, osserverà che la circonferenza è sempre minore di 2 volte il
raggio. Man mano che i due esseri proseguiranno lo studio della
geometria, l’essere sul piano scoprirà gli assiomi e le leggi di Euclide, il
secondo scoprirà leggi diverse ma non per questo meno valide.
Pertanto in uno spazio – tempo curvo, come si va delineando il Cosmo
nella teoria relativistica, la geometria euclidea non è più valida; si può,
anzi, ritenere che il Cosmo abbia una curvatura globale su vasta scala,
frutto della somma delle masse presenti al suo interno.
Nell’astrofisica gli effetti della curvatura dello spazio – tempo sono
drastici e reali, come ad esempio il collasso gravitazionale di una stella; le
sue particelle si attraggono sempre di più e si avvicinano l’una all’altra.
Crescendo la forza di gravità aumenta la curvatura dello spazio – tempo
nella regione circostante; ad un certo punto neppure la luce può più uscire
dalla stella. Attorno ad essa si forma un orizzonte degli eventi e lo spazio è
talmente curvo che qualunque oggetto finirà dentro al buco nero – la stella
a questo punto è infatti divenuta un buco nero. Anche il tempo, attorno alla
stella, rallenta progressivamente per un osservatore esterno e si ferma del
tutto sull’orizzonte degli eventi.
Le stranezze osservabili a livello sub atomico sono molte, fra le quali non
è raro studiare un positrone e+ (antielettrone) che si muove avanti nel
tempo, oppure considerarlo un elettrone che si muove all’indietro nel
tempo (viene dal futuro e va verso il passato!!!).
Un elettrone e un fotone si avvicinano l’uno all’altro, nel punto A il fotone
crea una coppia e- e+, l’e- si allontana verso destra, l’e+ verso sinistra. Gli
e- ed e+ iniziali collidono nel punto B e si annichilano creando un fotone
che si allontana verso sinistra.
Questo diagramma si può anche leggere nel modo seguente:
l’e- si sposta verso il punto B dove emette un fotone, e inverte la sua
direzione indietro nel tempo verso il punto A, qui assorbe il fotone iniziale
e si allontana in avanti nel tempo.
Dice Louis de Broglie: “Ciascun osservatore scopre, col passare del
suo tempo, nuove porzioni di spazio – tempo che gli appaiono come
aspetti successivi del mondo materiale, ma in realtà l’insieme degli
eventi che costituiscono lo spazio – tempo esiste già prima di essere
conosciuto.”
Torneremo nell’ultimo capitolo su questa straordinaria affermazione
scientifica di de Broglie, ci soffermeremo a lungo su questo enunciato
cercando di estrapolarne le conseguenze drammatiche per l’esistenza
umana e inserendolo nel grande contesto multiversale degli Universi
paralleli.
Torniamo alla relatività generale –
Lo spazio curvo si espande in una dimensione superiore ( ad esempio un
palloncino, che potrebbe raffigurare l’Universo, con dei punti segnati sulla
sua superficie, che potrebbero raffigurare le galassie), viene gonfiato in
modo di allontanare i puntini l’uno dall’altro .
Il Cosmo dovrebbe essere nato circa 15 – 18 miliardi di anni fa da
un’esplosione primordiale, denominata big bang, di materia densissima
raggruppata in uno spazio – tempo più piccolo di un nucleo atomico.
Alcuni modelli prevedono che l’espansione continuerà in eterno, altri che
si trasformerà in una gigantesca contrazione, a seguito di collasso
gravitazionale, e in un ritorno allo stato iniziale per l’inizio di un nuovo
probabile ciclo.
Sappiamo che un corpo ha energia quando possiede la capacità di
compiere un lavoro.
La massa di un corpo è la misura dell’attrazione gravitazionale che agisce
su di esso.
Secondo la relatività, la massa non è altro, invece, che una delle forme
dell’energia; nei processi d’urto della fisica sub particellare, che
studieremo nell’ultimo capitolo, le particelle non si conservano, collidono,
si annichilano e si trasformano in altre particelle. Si conserva solo
l’energia totale dell’intero processo e le particelle ci appaiono come figure
dinamiche che hanno un aspetto spazio – temporale, sono, al medesimo
tempo, processi e oggetti.
Abbiamo visto che la relatività associa il campo gravitazionale alla
struttura dello spazio – tempo; il campo gravitazionale è sempre attrattivo
sui corpi influenzati e il condizionamento modifica la struttura stessa dello
spazio tempo. In pratica il campo gravitazionale è lo spazio curvo!!!
Materia e vuoto non possono essere divisi, sono rappresentazioni di
un’unica entità.
Afferma Ernst Mach: “un corpo possiede inerzia (resistenza che oppone ad
essere accelerato) non per una proprietà intrinseca della materia, ma
piuttosto perché interagisce col resto del Cosmo. Pertanto un corpo di
massa m possiede inerzia perché esiste altra massa nell’Universo; se tutte
le stelle dovessero scomparire, anche l’inerzia e le forze centrifughe
scomparirebbero.”
L’astronomo Fred Hoyle dice: “La nostra esistenza quotidiana è
strettamente connessa alle parti più remote dell’Universo; è assolutamente
impossibile pensare ad una separazione tra le due cose.”
