ManaDinamica – Interazioni Fondamentali pt. I

pubblicato in: Scienza & Giochi, Spade & Magie | 0

Dopo aver parlato per un po’ di ulteriori ambiti, ritorniamo ai nostri mitici articoli di scienza applicata alla magia: la Manadinamica! Abbiamo già parlato dell’energia necessaria per creare effetti magici e di come questa stessa energia vada “disperdendosi” ad ogni passaggio.

Oggi andiamo a interrogarci come la magia possa fondarsi sulle interazioni fondamentali e in modo da poter capire come essa possa agire in un punto qualunque dello spazio.

AZIONE A DISTANZA

Il termine “azione a distanza” fu coniato per descrivere quei fenomeni fisici, come la gravità e l’elettromagnetismo, nei quali due oggetti interagiscono a distanza apparentemente senza che questa interazione sia mediata da altro: la maggior parte delle interazioni del nostro mondo, infatti, sono dovuto al contatto, anche indiretto, tra due oggetti o quanto meno alla presenza di attriti, correnti d’aria o acqua ecc.

Per sollevare il secchio di un pozzo, ad esempio, la forza delle braccia agisce sul secchio mediante il contatto con l’argano e la corda.
Ancora, un aquilone sta in volo grazie all’aria che lo colpisce.
La terra e la luna, invece, subiscono una reciproca attrazione senza oggetti che le connettano.

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Tuttoggi il termine “azione a distanza” viene usato per descrivere alcuni fenomeni il cui funzionamento ci sfugge, come l’entanglement quantistico del quale abbiamo parlato in questo articolo, ma nel resto dei casi citati siamo riusciti a scoprire come avvengono questo fenomeni.

Gravità ed elettromagnetismo, infatti, avvengono attraverso la mediazione, rispettivamente, dello spazio-tempo e dei fotoni: assieme alle due forze nucleari (che sono mediate da una grande quantità di particelle come gluoni, pioni, bosoni w e z) essi rappresentano le cosiddette interazioni fondamentali.

Di tutte le interazioni note, numerose (come le forze di van der waalz, che analizzeremo successivamente) possono essere riconducibili a effetti secondari di altre forze: ad oggi siamo riusciti ad associare tutte quelle che conosciamo agli effetti diretti, mediati o combinati di quattro forze fondamentali.

GRAVITAZIONE E SPAZIOTEMPO

La gravità è la prima interazione fondamentale scoperta dall’uomo: questa interazione, che agisce su tutti i corpi muniti di massa (sostanzialmente quasi tutto, a parte la radiazione elettromagnetica e poco altro), è in realtà una delle forze più debole in se: immaginando due corpi sia muniti di massa che elettricamente carichi, come ad esempio due protoni, la forza gravitazionale è 36 ordini di grandezza più piccola di quella elettrica (cioè un numero di volte pari a un “1” con 36 zeri dopo). 

Tuttavia, la grande quantità di massa che hanno in gioco, ad esempio, i corpi celesti rende questa forza una interazione importante “a lungo raggio”, in grado di agire attraverso le vastità dello spazio, tenendo assieme stelle, sistemi planetari e galassie.

Il mezzo attraverso il quale, secondo la teoria della relatività di Einstein, agisce la gravità è lo spazio-tempo stesso: ogni oggetto munito di massa è in grado di deformare il tessuto stesso dello spazio-tempo, e gli altri oggetti muniti di massa risentiranno di questa variazione.
Questa deformazione può essere intuita immaginandosi che lo spazio-tempo funzioni come un panno teso: appoggiando un oggetto pesante su di esso, questo si incurverà ed eventuali oggetti più piccoli appoggiati sul panno andranno a scivolare nella buca creata dal più grande, mentre in presenza di oggetti di dimensioni simili il panno mostrerà varie increspature che tenderanno a unificarsi tra loro, portando gli oggetti in un’unico grande avvallamento.

Le deformazioni dello spazio tempo possono, in chiave fantasy, giustificare per un sacco di cose: oggetti che subiscono forze inattese, dilatazione o compressione del tempo e così via, ma viene spesso dimenticato che questi fenomeni non possono non intervenire sull’ambiente, nella stessa maniera in cui, premendo sul panno teso del precedente esempio, si deforma anche il tessuto circostante.
Dunque, un’interazione magica dovuta alla distorsione dello spaziotempo dovrebbe avere degli effetti collaterali evidenti anche sullo spazio-tempo circostante: resta inoltre il problema di come ottenere simili effetti di distorsione.

Per “ripiegare” lo spaziotempo, la relatività ci dice che “basterebbe” una grande quantità di energia concentrata… ma come ottenere una simile risorsa?
Sarebbe necessario fare ricorso a fonti di energia estremamente rare, come l’antimateria, e comunque costosissime da creare, anche in termini stessi di energia (già, perché anche “ottenere” energia può avere un prezzo energetico, come spiegato nel precedente articolo).
Affondare lo spaziotempo in uno specifico punto, tanto da ottenere una perturbazione (localmente) paragonabile a quella della terra, attirerebbe gli oggetti circostanti in un punto: una tale perturbazione potrebbe mostrare effetti simili a quelli che si percepirebbero vicino a un buco nero, così il tempo di chiunque fosse in tal luogo passerebbe più velocemente, ed egli vedrebbe le cose lontane muoversi rapidamente mentre esso sarebbe percepito, dall’esterno, come quasi fermo.
Resta il fatto che difficilmente una tale densità di energia sarebbe contenibile senza provocare effetti collaterali altrettanto distruttivi.

It's Official: Gravitational Waves Have Been Found | Popular Science

Ancora più difficile sarebbe “distendere” lo spaziotempo, cioè “tirare” il velo: questo richiederebbe infatti un qualche tipo di sostanza, detta “materia esotica”, che mostrasse fenomeni come masse e pressioni negative: il miglior candidato che abbiamo per una simile sostanza è l’energia oscura.
Gli scienziati chiamano così un’entità ancora non ben identificata, ma i cui effetti sono visibili nell’espansione dell’universo: sostanzialmente, l’espansione accelerata del cosmo non è giustificabile alla luce di ciò che abbiamo osservato finora.
Di conseguenza abbiamo ipotizzato la presenza di un’energia repulsiva che agisca in maniera evidente su scale galattiche, ma che dovrebbe esistere anche (in forma impercettibile) come interazione tra oggetti comuni, in maniera simile alla gravità.
L’energia oscura è tuttavia una “vera forza della natura”, in grado, secondo alcune previsioni, di portare la morte dell’universo, strappando perfino le particelle degli atomi le une con le altre in un grosso “Big Rip”.

La gravità come strumento magico sembra dunque assai inefficiente, ma potrebbe essere l’unica opzione nel caso in cui si volessero costituire dei portali.
Una teoria scientifica ci dice che i buchi neri, che producono dei veri e propri “squarci” nello spazio tempo, potrebbero essere usati come “portali” verso un altro buco nero.

Se immaginiamo il buco nero come una specie di “imbuto” infilato a forza nel tessuto dello spazio-tempo, è anche facile immaginare che, se trovassimo un altro buco nero da qualche altra parte del lenzuolo, potremmo unirli con un “tubo” e passare attraverso di essi. Un Wormhole, o Ponte di Einstein-Rosen, parte proprio da questo presupposto: collegare due buchi neri per permettere il passaggio tra di essi.


Ma come fare, considerando che i buchi neri hanno un’attrazione fortissima?
Potrebbero esserci altri metodi per materia esotica: una quantità sufficiente di tale materia esotica potrebbe infatti produrre una repulsione tale da “stabilizzare” un ponte tra due buchi neri, consentendo di spostarsi tra di essi in maniera relativamente sicura.

INTERAZIONE NUCLEARE

Le interazioni nucleari, divise in forti e deboli, sono quelle che permettono l’esistenza stessa degli atomi: esse infatti sono alla base della coesione tra i Quark, i “mattoncini” che costituiscono molte particelle (gli Adroni) che un tempo pensavamo fondamentali, come ad esempio protoni e neutroni.

Queste particelle estremamente piccole e difficili da osservare e descrivere si evidenziano solo in casi di collisioni estreme tra gli Adroni, ovvero quello che succede negli acceleratori di particelle come LHC (Large Hadron Collider, letteralmente “Grosso collisore di Adroni”).

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LHC

L’intensità di questa interazione è molto alta, circa 100 volte superiore a quella elettromagnetica (che abbiamo già visto essere ESTREMAMENTE maggiore di quella gravitazionale), mentre la sua versione “debole”, che si incontra in alcuni decadimenti, è invece inferiore a quella elettromagnetica.

L’interazione tra i quark ha un importante effetto residuo, ovvero il campo di forze che tiene legati i quark ha anche ulteriori effetti indiretti: questo è un concetto importante sul quale ritorneremo. Il più importante di questi effetti residui è la capacità di tenere legati tra loro adroni diversi, come ad esempio i neutroni e i protoni nei nuclei atomici.

I Protoni sono composti da due quark positivi (up) e uno negativo, mentre i neutroni da due negativi (down) e uno positivo: tuttavia il quark up ha una carica più intensa di quello negativo, per cui alla fine il neutrone risulta elettricamente neutro mentre il protone è positivo.

Quark Matter 2018 on Twitter: "#matter #BuildingBlocks #Elementary ...

Queste cariche si respingerebbero tra loro se non fosse per l’attrazione nucleare forte, che vince su quella elettromagnetica: tuttavia, questa attrazione si propaga fino anche ai quark degli adroni vicini, permettendo così di legare tra loro protoni e neutroni e andare così a creare i nuclei atomici. In questa maniera, l’interazione nucleare diventa anche responsabile della struttura stessa dei nuclei atomici.

Ogni nucleo ha un determinato numero di protoni, detto Numero Atomico, e gli atomi con un determinato numero atomico costituiscono uno specifico elemento: tutti gli atomi con 2 protoni, ad esempio, sono atomi di Elio, mentre quelli con numero atomico pari a 6 sono atomi di Carbonio.
Come è evidente, dunque, è questa forza che, alla fine, definisce molte delle proprietà “macroscopiche” delle sostanze: inoltre essa interagisce anche con i neutroni degli atomi, che possono essere in numero differente pur mantenendo lo stesso elemento.
Atomi con stesso numero di protoni ma diverso di neutroni si dicono isotopi e molti di essi sono instabili: tendono cioè a modificare la propria struttura per raggiungere quella di altri isotopi, detti stabili.
Questo processo viene effettuato mediante dei decadimenti che possono essere effettuati, per gli atomi più pesanti, espellendo interi nuclei atomici più piccoli (il cosiddetto Decadimento Alfa) oppure, stavolta mediante l’interazione debole, trasformare protoni in neutroni o viceversa ed emettendo particelle di carica opposta (il cosiddetto Decadimento Beta).
Questi decadimenti, assieme all’emissione di Raggi Gamma, sono quelli che vanno di fatto a formare le radiazioni nucleari, delle quali l’interazione forte è, evidentemente, responsabile.

Infine si possono osservare, in natura, fenomeni che uniscono o spezzano i nuclei atomici, le cosiddette fusioni e fissioni nucleari: le prime avvengono, ad esempio, nelle stelle, dove nuclei atomici più leggeri vengono fusi a formare nuclei più pesanti.
Le stelle più giovani fondono l’idrogeno in elio e i processi successivi possono creare azoto, ossigeno, carbonio e così via: nel farlo, sprigionano l’energia che le fa risplendere e, nel caso del sole, illumina e riscalda il nostro pianeta.

Ma se, per ottenere energia dagli atomi più leggeri, è necessario fonderli, il contrario avviene per quelli più pesanti, che sprigionano tutto il loro potenziale quando vengono spezzati: è la famosa scissione dell’atomo che ha dato vita alle centrali nucleari e alla bomba atomica. Anche in questo caso, gli atomi emettono una grande quantità di energia, ma invece che fondersi tra loro producono numerosi atomi più leggeri che, spesso, vanno a formare le famose (e pericolose) scorie radioattive, nel tentativo di raggiungere forme ancora più stabili.

Quadrupole Systems for Fusion Research
Un prototipo di reattore a fusione, che riproduca le stesse operazioni che avvengono al centro delle stelle

In sostanza dunque moltissimi fenomeni derivano direttamente dall’interazione forte: la struttura stessa degli atomi, il loro elemento (e dunque le loro proprietà fisiche macroscopiche) e la possibilità di ottenere energia dalla loro fissione o fusione.
Questi eventi potrebbero essere indubbiamente utilizzati dalla magia, sia come fonte di energia che, nel caso degli elementi atomici, per incantesimi di trasmutazione che cambino la natura delle sostanze.
Ma su questo avremo ancora a lungo da parlare nella seconda parte dell’articolo, quella sull’elettromagnetismo…

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