Le quattro forze fondamentali della natura sono in realtà i quattro modi in cui la materia interagisce nell'universo. La gravità, la più debole delle quattro, è presente nella vita quotidiana delle persone, ma paradossalmente sembra abbastanza forte. La forza elettromagnetica gestisce le nostre macchine elettriche, Internet e gli smartphone. Le altre due forze, le forze nucleari forte e debole, operano a livello atomico e influenzano le particelle elementari come i protoni e gli elettroni. Queste quattro forze sono la ragione per cui il mondo esiste così com'è, con ogni forza che ha proprietà e caratteristiche uniche.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Le quattro forze fondamentali della natura, dalla più forte alla più debole, sono la forza nucleare forte, la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la gravità.
Basi fondamentali della forza
Quando oggetti inanimati o particelle elementari interagiscono, le forze fondamentali influenzano il loro comportamento. Ad esempio, i pianeti orbitano intorno al sole a causa della forza gravitazionale. Il fulmine colpisce perché gli elettroni saltano tra le nuvole e il suolo a causa della forza elettromagnetica. Gli atomi stanno insieme a causa della forza nucleare forte e la radiazione naturale è causata dalla forza nucleare debole.
Queste forze hanno due caratteristiche principali in comune. Hanno forza e agiscono a una certa distanza. Oltre a ciò, sono ciascuno unico e agiscono sulla materia in modi completamente diversi.
La forza nucleare forte
La più potente delle quattro forze è la forza nucleare forte, che deve superare la forza numero due, l'elettromagnetismo, nel nucleo atomico. I nuclei sono costituiti da protoni e neutroni, con i protoni che si respingono a causa delle loro cariche positive. La forza nucleare forte vince questa repulsione e tiene i protoni vicini nel nucleo.
Per poter confrontare la forza delle forze fondamentali, gli scienziati spesso usano come base la forza nucleare forte e le assegnano un valore 1. La forza di ciascuna delle altre forze, che sono più deboli, è data come frazione di questa forza. Sebbene sia la forza più potente, la forza nucleare forte non agisce a distanza. È confinato al nucleo di un atomo e ha solo un intervallo di circa il raggio di un nucleo medio.
La forza elettromagnetica
La forza elettromagnetica agisce su particelle cariche ed è l'interazione chiave in tutto ciò che ha a che fare con l'elettricità. Poiché la maggior parte della materia ha un equilibrio di particelle cariche, gli oggetti di grandi dimensioni tendono ad essere neutri e la forza non ha alcun effetto su di essi. Quando gli oggetti si caricano, come nei motori elettrici, nelle batterie o con l'elettricità statica, le cariche simili si respingono e le cariche a differenza si attraggono. Gli elettroni sono i portatori di carica negativa e sono attratti dai protoni, che hanno una carica positiva. Quando le cariche si muovono, creano campi magnetici che hanno i poli nord e sud. Come per le cariche, due poli uguali si respingono e poli diversi si attraggono.
La forza elettromagnetica è poco meno di un centesimo della forza nucleare forte, ma può agire a distanza. Mentre diventa più debole quando gli oggetti carichi sono più distanti, l'attrazione e la repulsione teoricamente continuano all'infinito. Tuttavia, a grandi distanze gli effetti sono minimi e possono essere trascurabili.
La debole forza nucleare
Mentre la forza nucleare forte agisce solo sulle particelle del nucleo, la forza nucleare debole agisce su molte particelle elementari ed è responsabile della radiazione naturale. Regola il modo in cui gli elementi si decompongono naturalmente nel tempo e quando gli atomi non sono più tenuti insieme, le particelle come gli elettroni vengono espulse sotto forma di radiazione. Di conseguenza, la forza nucleare debole influenza il modo in cui avvengono la fissione nucleare e la fusione nucleare.
La forza debole è meno di un milionesimo della forza nucleare forte e agisce solo a distanze molto brevi. Sebbene possa attrarre e respingere le particelle, il suo raggio d'azione è così limitato che non agisce realmente come le altre forze, che tirano o spingono a distanza. La forza nucleare debole è più simile a una colla o un grasso, attivo solo in uno strato sottile tra le particelle elementari.
La forza gravitazionale
La gravità agisce come una forza attrattiva tra due oggetti che hanno massa. La forza di gravità dipende dalla massa degli oggetti. Nella vita di tutti i giorni, la forza di gravità tra la terra e gli oggetti come un'auto è il peso dell'auto. La forza di gravità è direttamente proporzionale alla massa degli oggetti. Ad esempio, 2 litri di latte pesano il doppio di 1 litro.
La gravità è la forza più debole ed è meno di un milionesimo di milionesimo della forza della forza nucleare forte. Sebbene molto deboli a livello atomico, gli oggetti di uso quotidiano hanno una massa così grande che la forza di gravità diventa piuttosto forte. Per una massa ancora maggiore, come nei pianeti e nelle stelle, la forza di gravità è abbastanza forte da mantenerli in orbita. La gravità è come la forza elettromagnetica in quanto agisce a distanza, teoricamente all'infinito. Questo diventa importante per masse enormi come le galassie che attraggono altre galassie anche quando sono molto distanti.
Altre forze
È facile immaginare altre forze attive in natura, come il vento, un'esplosione o la forza di un motore a reazione. Queste sono tutte forze secondarie che dipendono dalle forze fondamentali per la loro azione. Ad esempio, il vento soffia perché il tempo prevede l'aumento dell'aria calda e la caduta dell'aria fredda, essendo l'aria fredda più pesante a causa della gravità. Il vento ha forza perché le molecole dell'aria sono tenute insieme dalle forze fondamentali, permettendo loro di esercitare una spinta. In effetti, le quattro forze fondamentali sono alla base di tutto ciò che sperimenta l'essere vivente.