Particelle materiali e particelle virtuali

Sappiamo che in meccanica quantistica le forze o interazioni tra le particelle materiali sono tutte trasportate da particelle. Una particella materiale come un elettrone o un quark emette cioè una particella portatrice di forza.

Le cose funzionano pressapoco così. Il rinculo prodotto da questa emissione altera la velocità della particella materiale, per lo stesso motivo per cui un cannone si ritrae indietro dopo aver sparato. La particella portatrice di forza entra quindi in collisione con un’altra particella materiale e ne viene assorbita, modificando così il moto di quest’ultima particella.

Il risultato di questo “colpo” è come se fra le due particelle fosse stata esercitata una vera e propria forza. Ogni forza viene trasmessa da un proprio particolare tipo di particelle portatrici di forza. Le particelle portatrici di forza con massa elevata non riescono a sviluppare i propri effetti su lunghe distanze.

Dal lato opposto, se particelle portatrici di forza non hanno una massa propria, le forze corrispondenti avranno un lungo raggio d’azione. Le particelle portatrici di forza scambiate tra particelle materiali vengono chiamate «particelle virtuali» poiché, a differenza delle particelle reali, non possono essere individuate direttamente da un rilevatore di particelle.

Sappiamo che esistono perché riusciamo a misurare i loro effetti. Le particelle portatrici di forza si raggruppano in quattro, distinte categorie, tenendo presente che questa distinzione è una costruzione più convenzionale che sostanziale.

Da anni i fisici cercano una teoria unica in grado di spiegare tutte le quattro forze come diversi aspetti di una singola forza. La prima categoria è la forza gravitazionale presente in tutto l’universo e le sue particelle virtuali sono chiamati gravitoni. La gravità è la più debole delle forze in campo ma ha due caratteristiche peculiari: agisce anche su grandissime distanze ed è sempre attrattiva.

Le altre tre forze agiscono invece su raggi d’azione molto più ridotti, possono essere sia attrattive che repulsive, così che tendono anche ad annullarsi.

La categoria successiva è quella della forza elettromagnetica, che interagisce con le particelle dotate di carica elettrica, come gli elettroni e i quark, ma non con quelle prive di carica, come i neutrini. Essa è molto più forte della forza gravitazionale: la forza elettromagnetica tra due elettroni è circa un milione di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni di milioni (1 seguito da 42 zeri) di volte superiore alla forza gravitazionale. Questa forza però agisce su scale piccolissime, a livello di atomi o molecole.

La terza categoria è costituita dalla cosiddetta forza nucleare debole. Nella quotidianità, noi non entriamo direttamente in contatto con questa forza. Essa, comunque, è responsabile della radioattività, cioè del decadimento dei nuclei atomici. La quarta categoria, quella della forza nucleare forte, è la più forte tra le quattro interazioni fondamentali.

Questa forza con la quale non entriamo in diretto contatto è però responsabile della coesione della maggior parte del mondo che ci circonda. Lega i quark all’interno del protone e del neutrone e del nucleo atomico. Senza la forza nucleare forte, la repulsione elettrica fra i protoni (carichi positivamente) farebbe esplodere tutti i nuclei atomici presenti nell’universo – tranne quelli dell’idrogeno, i cui nuclei sono formati da un singolo protone. Si ritiene che questa forza sia trasportata da una particella, chiamata gluone, che interagisce solo con se stessa e con i quark.