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interazióne (fisica)

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Definizione

Azione che corpi, campi, sistemi ecc. esercitano l'uno sull'altro e che ne modifica reciprocamente lo stato. Nella fisica moderna il termine interazione sostituisce quello di forza, in quanto tutte le forze reali conosciute sono interpretabili in termini di scambio di particelle, ovvero di interazioni di scambio. Anche il termine di scambio è pertanto da utilizzarsi in luogo del corrispondente forza di scambio. Tutte le interazioni osservate in natura possono dunque spiegarsi mediante lo studio del comportamento di un certo numero di particelle elementari. Poiché la materia è composta dalle stesse particelle elementari, la base dello studio delle interazioni consiste nell'analisi delle leggi che regolano l'azione mutua tra le particelle elementari; tale analisi si semplifica considerando che tutte le interazioni conosciute si possono ridurre a quattro tipi fondamentali, i quali dovrebbero spiegare tutte le forze che si esercitano tra le diverse parti dell'Universo.

Cenni storici

Sino al sec. XIX si conoscevano solo due interazioni, le elettromagnetiche e le gravitazionali. Alla velocità di propagazione delle interazioni gravitazionali, come già J.C. Maxwell aveva fatto per le interazioni elettromagnetiche, supposta infinita dalla fisica newtoniana, fu assegnato dalla teoria della relatività di A. Einstein un valore uguale a quello della velocità della luce nel vuoto. Per quanto riguardava il modo di propagazione, già nel sec. XIX la teoria classica dei campi assumeva che le forze si propagassero attraverso campi specifici, la cui struttura poteva spiegare tutti i fenomeni naturali. Nel sec. XX la meccanica quantistica e il principio di dualità onda-corpuscolo permettevano di spiegare tali campi in termini di interazioni di particelle il cui scambio tra i corpi produce la propagazione dell'interazione. Da questo punto di vista, le interazioni gravitazionali, cioè la gravitazione, sono spiegate mediante scambio di particelle, dette gravitoni, moventisi alla velocità della luce. L'interazione gravitazionale è la più debole conosciuta ed è pertanto molto difficile la rivelazione di gravitoni individuali. Storicamente il secondo tipo di interazione studiata fu l'interazione elettromagnetica. Il suo nome deriva dal fatto che elettricità e magnetismo (ovvero elettrostatiche e magnetiche) sono due diversi aspetti dello stesso fenomeno, peraltro più complesso della gravitazione, non solo per l'esistenza di due tipi di cariche elettriche, ma anche per la dipendenza di dette interazioni dalla velocità delle particelle cariche che ne sono responsabili. Nella moderna elettrodinamica quantistica, l'agente del campo elettromagnetico è il fotone. La scoperta del neutrone implicò la considerazione delle forti (o nucleari, o di Yukawa), aventi caratteristiche assai diverse da quelle delle interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche. Le interazioni forti sono indipendenti dalla carica elettrica ed esplicano le forze di legame tra i nucleoni, che costituiscono tutti i nuclei atomici; al contrario delle interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche, che agiscono anche a distanza infinita, le interazioni nucleari sono a corto raggio (non più in là di 10-14m), ma hanno grande intensità e dipendono dallo spin delle particelle tra le quali si manifestano. Dal fatto che l'interazione avviene a distanza finita si deduce che la massa delle particelle scambiate, responsabili delle interazioni stesse, deve essere diversa da zero: tali particelle furono identificate da Yukawa nei pioni, o mesoni π, osservati poco dopo l'enunciazione della teoria. Nella moderna cromodinamica quantistica gli agenti dell'interazione forte sono i gluoni (vedi oltre). Il decadimento del neutrone e l'ipotesi del neutrino indussero, infine, Fermi a introdurre un quarto tipo di interazioni: le deboli, di intensità inferiore alle interazioni forti, ma sensibilmente superiore a quella delle interazioni gravitazionali ed elettromagnetiche. Le interazioni deboli hanno raggio d'azione minore di tutte, esse governano il decadimento di molte particelle che interagiscono fortemente e sono responsabili del decadimento di certi nuclei radioattivi. L'agente responsabile delle interazioni deboli è rimasto sconosciuto fino agli inizi degli anni Ottanta; infatti fu solo nel 1983 che il fisico italiano C. Rubbia con un gruppo di ricercatori del CERN di Ginevra scoprì le particelle attraverso le quali si esercitano le interazioni deboli, i bosoni W e Z°.

Teorie moderne di interazione di scambio

L'introduzione del concetto di interazione di scambio ha spazzato via qualunque idea di azione a distanza. La formulazione quantistica dell'interazione elettromagnetica è resa dalla teoria denominata QED (elettrodinamica quantistica); per essa le interazioni elettromagnetiche si trasmettono tra le cariche elettriche attraverso lo scambio di particelle prive di massa: i fotoni. La teoria denominata QCD (cromodinamica quantistica o quantocromodinamica) identifica, invece, l'origine delle interazioni nucleari forti nello scambio di particelle, chiamate gluoni, tra i costituenti dei nucleoni, cioè i quark. I termini “forte” e “debole” che caratterizzano le due interazioni nucleari sono in riferimento alle probabilità che i corrispondenti scambi abbiano luogo, cioè alle intensità intrinseche delle interazioni. Le interazioni elettromagnetiche hanno intensità compresa tra quella delle interazioni nucleari forti e quella delle interazioni nucleari deboli. Gli stessi principi che hanno portato allo sviluppo di queste teorie hanno anche guidato i fisici nella definizione di una teoria delle interazioni nucleari deboli a partire dal concetto di interazione di scambio. Successivamente, in analogia a ciò che era avvenuto per le interazioni elettriche e magnetiche, unificate nelle interazioni elettromagnetiche, si è però riconosciuto che interazioni deboli e interazioni elettromagnetiche sono aspetti diversi di un'unica interazione: la elettrodebole. Lo sviluppo della fisica delle particelle fondamentali si è poi diretto verso la definizione e la verifica sperimentale di una nuova teoria, detta Teoria di Grande Unificazione (GUT), in cui l'interazione elettrodebole e l'interazione nucleare forte rappresentano aspetti diversi di un'unica interazione. Dalla GUT resta comunque esclusa l'interazione gravitazionale, di gran lunga la più debole di tutte le interazioni. L'unificazione di tutte le interazioni in un'unica teoria quantistica è però prevista da altre teorie, le più interessanti delle quali sono quelle della supergravità e delle superstringhe.

Bibliografia

E. Fermi, Particelle elementari, Torino, 1952; K. Ford, La fisica delle particelle, Milano, 1970; R. Omnès, Introduction à l'étude des particules élémentaires, Parigi, 1970; G. Morpurgo, Introduzione alla fisica delle particelle, Bologna, 1987.