Štiri temeljne sile narave

Od hoje po ulici, do izstrelitve rakete v vesolje, do lepljenja magneta na hladilnik, fizične sile delujejo povsod okoli nas. Toda vse sile, ki jih doživljamo vsak dan (in mnogih, za katere ne vemo, da jih doživljamo vsak dan), je mogoče zmanjšati na samo štiri temeljne sile:

1. Gravitacija.
2. Šibka sila.
3. Elektromagnetizem.
4. Močna sila.

Temu se rečejo štiri temeljne sile narave in urejajo vse, kar se dogaja v vesolju.

Gravitacija

Gravitacija je privlačnost med dvema objektoma, ki imata maso ali energijo, ne glede na to, ali gre za spuščanje skale z mostu, planeta, ki kroži okoli zvezde ali lune, ki povzroča oceanske plime. Gravitacija je verjetno najbolj intuitivna in seznanjena s temeljnimi silami, vendar je bila tudi ena izmed najbolj zahtevnih za razlago.

Isaac Newton je prvi predlagal idejo gravitacije, ki naj bi jo navdihnilo jabolko, ki pade z drevesa. Gravitacijo je opisal kot dobesedno privlačnost med dvema objektoma. Stoletja pozneje je Albert Einstein s svojo teorijo splošne relativnosti predlagal, da gravitacija ni privlačnost ali sila. Namesto tega je posledica, da se predmeti upogibajo prostor-čas. Velik predmet deluje na prostor-čas malo podobno kot velika kroglica, položena na sredino lista, vpliva na ta material, ga deformira in povzroči, da drugi, manjši predmeti na listu padejo proti sredini.

Čeprav gravitacija drži planete, zvezde, sončne sisteme in celo galaksije skupaj, se izkaže, da je najšibkejša od temeljnih sil, zlasti na molekularni in atomski lestvici. Mislite na to tako: Kako težko je dvigniti žogo s tal? Ali da dvignete nogo? Ali pa za skok? Vsa ta dejanja preprečujejo težo celotne Zemlje. In na molekularni in atomski ravni gravitacija skoraj nima vpliva glede na druge temeljne sile.

Šibka sila

Šibka sila, imenovana tudi šibka jedrska interakcija, je odgovorna za razpadanje delcev. To je dobesedna sprememba ene vrste subatomskih delcev v drugo. Tako lahko na primer nevtrino, ki je blizu nevrona, nevtro pretvori v proton, nevtrino pa postane elektron.

Fiziki opisujejo to interakcijo z izmenjavo delcev, ki prenašajo silo, imenovanih bozoni. Specifične vrste bozonov so odgovorne za šibko silo, elektromagnetno in močno silo. V šibki sili so bozoni nabiti delci, imenovani W in Z bozoni. Ko subatomski delci, kot so protoni, nevtroni in elektroni, pridejo drug do drugega od 10 do 18 metrov ali 0,1% pretona protona, lahko te bozone izmenjujejo. Kot rezultat, subatomski delci razpadejo na nove delce, navaja spletna stran HyperPhysics University Georgia.

Šibka sila je kritična za reakcije jedrske fuzije, ki napajajo sonce in proizvajajo energijo, potrebno za večino življenjskih oblik tukaj na Zemlji. Tudi zato arheologi lahko uporabljajo ogljik-14 za danes starodavne kosti, les in druge nekdaj žive artefakte. Ogljik-14 ima šest protonov in osem nevtronov; eden od teh nevtronov razpade v proton, da ustvari dušik-14, ki ima sedem protonov in sedem nevtronov. Razpad se zgodi s predvidljivo hitrostjo, kar omogoča znanstvenikom, da ugotovijo, koliko so stari takšni artefakti.

Elektromagnetna sila

Elektromagnetna sila, imenovana tudi Lorentzova sila, deluje med nabitimi delci, kot negativno nabiti elektroni in pozitivno nabiti protoni. Nasproti naboji se med seboj privlačijo, medtem ko se naboji odbijajo. Večji kot je naboj, večja je sila. In podobno kot gravitacija je to moč čutiti z neskončne razdalje (čeprav bi bila sila na tej razdalji zelo, zelo majhna).

Kot že ime pove, je elektromagnetna sila sestavljena iz dveh delov: električne sile in magnetne sile. Sprva so fiziki opisali te sile kot ločene med seboj, a so raziskovalci kasneje spoznali, da sta obe komponenti iste sile.

Električna komponenta deluje med nabitimi delci, ne glede na to, ali se premikajo ali mirujejo, in ustvarja polje, s katerim lahko naboji vplivajo drug na drugega. Toda ko se začnejo gibati, nabiti delci začnejo prikazovati drugo komponento, magnetno silo. Delci ustvarjajo magnetno polje okoli sebe, ko se premikajo. Ko na primer elektroni približajo žico, da napolnijo računalnik ali telefon ali vklopijo televizor, žica postane magnetna.

Elektromagnetne sile se med nabitimi delci prenašajo z izmenjavo brezmasnih, nosilnih sil, imenovanih fotoni, ki so tudi delci svetlobe. Fotoni, ki prenašajo silo, ki se izmenjujejo med nabitimi delci, pa so drugačna manifestacija fotonov. So virtualne in neodkrite, čeprav so tehnično enaki delci kot prava in zaznavna različica, poroča Univerza v Tennesseeju v Knoxvilleu.

Elektromagnetna sila je odgovorna za nekatere najpogostejše izkušnje: trenje, elastičnost, normalno silo in silo, ki trdne snovi drži skupaj v dani obliki. Odgovoren je celo za vleko, ki ga ptice, letala in celo Superman doživijo med letenjem. Do teh dejanj lahko pride zaradi naelektrenih (ali nevtraliziranih) delcev, ki medsebojno delujejo. Normalna sila, ki knjigo drži na vrhu mize (namesto da bi gravitacija potegnila knjigo na tla), je na primer posledica, da elektroni v atomih mize odbijajo elektrone v atomih knjige.

Močna jedrska sila

Močna jedrska sila, imenovana tudi močna jedrska interakcija, je najmočnejša od štirih temeljnih sil narave. To je 6 tisoč bilijonov bilijonov bilijonov (to je 39 ničel po 6!) Krat močnejših od sile gravitacije, navaja spletna stran HyperPhysics. In to zato, ker povezuje temeljne delce snovi skupaj, da tvorijo večje delce. Združuje kvarke, ki sestavljajo protone in nevtrone, del močne sile pa ohranja tudi protone in nevtrone jedra atoma skupaj.

Tako kot šibka sila tudi močna sila deluje le, kadar so subatomski delci izredno blizu drug drugemu. Po spletu HyperPhysics morajo biti nekje znotraj 10–15 metrov drug od drugega ali približno v premeru protona.

Močna sila pa je nenavadna, saj za razliko od katere koli druge osnovne sile slabi, ko se subatomski delci približajo drug drugemu. Fermilab pravi, da dejansko doseže največjo moč, ko so delci najbolj oddaljeni drug od drugega. Ko so v dosegu, brezmasi nabiti bozoni, imenovani gluoni, prenašajo močno silo med kvarki in jih držijo "zlepljene" skupaj. Majhen del močne sile, ki se imenuje preostala močna sila, deluje med protoni in nevtroni. Protoni v jedru se med seboj odbijajo zaradi podobnega naboja, vendar preostala močna sila lahko to odbojnost premaga, zato delci ostanejo vezani v jedru atoma.

Združevanje narave

Vprašanje štirih temeljnih sil je, ali so dejansko manifestacija le ene same velike vesolje. Če je tako, bi se moral vsak od njih lahko združiti z drugimi in že obstajajo dokazi, da zmorejo.

Fizika Sheldon Glashow in Steven Weinberg z univerze Harvard z Abdusom Salamom iz Imperial College London sta leta 1979 prejela Nobelovo nagrado za fiziko za poenotenje elektromagnetne sile s šibko silo, da bi oblikovali koncept sile elektroteči. Fiziki, ki delujejo pri iskanju tako imenovane velike poenotene teorije, si prizadevajo združiti elektrobolečinsko silo z močno silo, da bi opredelili elektronuklearno silo, kar so modeli napovedovali, vendar raziskovalci še niso opazili. Končni kos sestavljanke bi nato potreboval poenotenje gravitacije z elektronuklersko silo, da bi razvili tako imenovano teorijo vsega, teoretični okvir, ki bi lahko razložil celotno vesolje.

Fiziki pa so ugotovili, da je precej težko združiti mikroskopski svet z makroskopskim. Na velikih in zlasti astronomskih lestvicah prevladuje gravitacija, kar najbolje opisuje Einsteinova teorija splošne relativnosti. Toda kvantna mehanika na molekularnih, atomskih ali subatomskih lestvicah najbolje opisuje naravni svet. In doslej še nihče ni našel dobrega načina za združitev teh dveh svetov.

Fiziki, ki preučujejo kvantno gravitacijo, si želijo opisati silo v smislu kvantnega sveta, kar bi lahko pomagalo pri združitvi. Temeljni pristop bi bilo odkritje gravitonov, teoretičnega bozona gravitacijske sile. Gravitacija je edina temeljna sila, ki jo fiziki trenutno lahko opišejo, ne da bi uporabljali delce, ki prenašajo silo. A ker opisi vseh drugih osnovnih sil zahtevajo delce, ki prenašajo silo, znanstveniki pričakujejo, da morajo gravitoni obstajati na subatomski ravni - raziskovalci teh delcev še niso našli.

Nadaljnja zaplete zgodba je nevidno kraljestvo temne snovi in ​​temne energije, ki tvorita približno 95% vesolja. Ni jasno, ali temna snov in energija sestavljata en sam delček ali cel delček, ki ima svoje sile in glasnike.

Primarni glasnik delcev, ki ga trenutno zanima, je teoretični temni foton, ki bi posredoval interakcije med vidnim in nevidnim vesoljem. Če obstajajo temni fotoni, bi bili ključ za odkrivanje nevidnega sveta temne snovi in ​​bi lahko pripeljali do odkritja pete temeljne sile. Zaenkrat še ni dokazov, da obstajajo temni fotoni, nekatere raziskave pa so ponudile močne dokaze, da ti delci ne obstajajo.