Az utcán való sétálástól a rakéta űrbe juttatásáig, a mágnes beragasztásáig a fizikai erők körülöttünk hatnak. De az összes erő, amelyet minden nap tapasztalunk (és sokan közülük, amelyekre nem gondoljuk, hogy minden nap tapasztaljuk meg) csak négy alapvető erőre osztható:
- Gravity.
- A gyenge erő.
- Elektromágnesesség.
- Az erős erő.
Ezeket a természet négy alapvető erőinek nevezik, és mindent irányítanak, ami az univerzumban történik.
Súly
A gravitáció a vonzerő két olyan tárgy között, amelyek tömege vagy energiája van, függetlenül attól, hogy egy szikla leesik egy hídról, egy csillagot keringő bolygóról vagy a holdról óceáni árapályokat okoznak. A gravitáció valószínűleg a leginkább intuitív és ismeretes az alapvető erők közül, de ez volt az egyik legnehezebb megmagyarázni.
Isaac Newton volt az első, aki a gravitáció gondolatát javasolta, állítólag egy fáról eső alma ihlette. A gravitációt két objektum közötti szó szerinti vonzásnak írta le. Száz évszázadokkal később Albert Einstein az általános relativitáselmélet elméletén keresztül azt javasolta, hogy a gravitáció ne vonzerő vagy erő. Ehelyett annak következménye, hogy a tárgyak meghajlanak a tér-időben. Egy nagy tárgy a téridőben úgy működik, mintha egy lap közepére helyezett nagy golyó befolyásolja az anyagot, deformálná azt, és más, kisebb tárgyakat okozna a lapon a középső felé.
Noha a gravitáció bolygókat, csillagokat, naprendszereket és még galaxiseket is tart, az alapvető erők közül a leggyengébbnek bizonyul, különösen a molekuláris és atomi skálán. Gondolj bele erre: Mennyire nehéz emelni a labdát a földről? Vagy emelje fel a lábát? Vagy ugrani? Ezek a tevékenységek ellensúlyozzák az egész Föld gravitációját. És molekuláris és atomi szinten a gravitáció szinte nincs hatással a többi alapvető erőre.
A gyenge erő
A gyenge erő, más néven a gyenge nukleáris kölcsönhatás, felelős a részecske bomlásáért. Ez az egyik szubatomi részecske egyik típusának szó szerinti megváltozása. Tehát például egy olyan neutrinó, amely közel esik egy neutronhoz, protonmá változhat, miközben a neutrino elektronmá válik.
A fizikusok ezt az interakciót az erőt hordozó részecskék, úgynevezett boszonok cseréjével írják le. A gyenge erõ, az elektromágneses erõ és az erõs erõs bozonok különbözõ típusai felelősek. A gyenge erő esetén a boszonok töltött részecskék, amelyeket W és Z boszonnak hívnak. Amikor a szubatomi részecskék, például a protonok, a neutronok és az elektronok egymás után 10 ^ 18 méteres távolságra vannak, vagyis a proton átmérőjének 0,1% -a, akkor ezek a bozonok cserélhetők. Ennek eredményeként a szubatomi részecskék új részecskékké bomlanak, állítja a Georgia State University HyperPhysics weboldala.
A gyenge erő kritikus fontosságú azoknak a nukleáris fúziós reakcióknak, amelyek a napot táplálják és a legtöbb életformához szükséges energiát előállítják a Földön. Ezért is használhatják a régészek a szén-14-et az ősi csontból, fából és más korábban élő tárgyakból. A szén-14 hat protonnal és nyolc neutronnal rendelkezik; ezen neutronok egyike protonra bomlik, így nitrogén-14 képződik, amely hét protont és hét neutronot tartalmaz. Ez a hanyatlás kiszámítható ütemben megy végbe, lehetővé téve a tudósok számára, hogy meghatározzák, milyen idõsek az ilyen tárgyak.
Elektromágneses erő
Az elektromágneses erő, más néven Lorentz-erő, töltött részecskék között működik, mint például a negatív töltésű elektronok és a pozitív töltésű protonok. Az ellentétes díjak vonzzák egymást, míg a töltések visszatükrözik. Minél nagyobb a töltés, annál nagyobb az erő. És hasonlóan a gravitációhoz, ez az erő végtelen távolságból is érezhető (bár az erő nagyon, nagyon kicsi lenne ebben a távolságban).
Amint a neve is mutatja, az elektromágneses erő két részből áll: az elektromos erőből és a mágneses erőből. A fizikusok először ezeket az erőket különítették el egymástól, de később a kutatók rájöttek, hogy a kettő ugyanazon erő alkotóelemei.
Az elektromos alkatrész töltött részecskék között mozog, vagy mozog, vagy áll, és olyan mezőt hoz létre, amelyen keresztül a töltések befolyásolhatják egymást. De ha elindulnak, ezek a töltött részecskék megmutatják a második komponenst, a mágneses erőt. A részecskék mágneses teret képeznek körülöttük mozogva. Tehát, amikor az elektronok egy vezetéken zoomolnak, hogy fel tudják tölteni a számítógépet vagy a telefont, vagy bekapcsolják a tévét, akkor a vezeték mágnesessé válik.
Az elektromágneses erőket a töltött részecskék között a fotonoknak nevezett tömeg nélküli, erőhordozó boszonok cseréje révén továbbítják, amelyek szintén a fény részecske-összetevői. A töltött részecskék között cserélő erőhordozó fotonok azonban a fotonok más megnyilvánulása. Virtuálisak és nem észlelhetők, még akkor is, ha technikailag ugyanazok a részecskék, mint a valódi és észlelhető verzió, a Tennessee-i Knoxville-i Egyetem szerint.
Az elektromágneses erő felelős a leggyakrabban tapasztalható jelenségekért: súrlódás, rugalmasság, a normál erő és az erő, amely egy adott alakban szilárd anyagot tartalmaz. Ez még azért is felelős, hogy a madarak, repülőgépek és a Superman repülése közben is megtapasztalják. Ezek a műveletek a töltött (vagy semlegesített) részecskék kölcsönhatása miatt léphetnek fel. Például az a normál erő, amely a könyvet az asztal tetején tartja (ahelyett, hogy a könyvet a földre húzza volna a gravitációtól), annak következménye, hogy az asztal atomjaiban lévő elektronok a könyv atomjaiba visszaszorítják az elektronokat.
Az erős nukleáris erő
Az erőteljes nukleáris erő, más néven az erőteljes nukleáris kölcsönhatás, a természet négy alapvető ereje közül a legerősebb. A HyperPhysics webhely szerint 6 ezer billió trillió billió (azaz 39 nulla 6 után!) -Szor erősebb, mint a gravitációs erő. És azért van, mert az anyag alapvető részecskéit köti össze, hogy nagyobb részecskéket képezzen. Együtt tartja a kvarcokat, amelyek protonokat és neutronokat alkotnak, és az erős erő egy része együtt tartja az atommag protonjait és neutronjait is.
Ugyanúgy, mint a gyenge erő, az erős erő csak akkor működik, ha a szubatomi részecskék rendkívül közel vannak egymáshoz. A HyperPhysics weboldal szerint ezeknek 10 - 15 méter távolságra kell lenniük egymástól, vagy nagyjából egy proton átmérőjén belül kell lenniük.
Az erős erő furcsa, ugyanakkor, mivel a többi alapvető erőtől eltérően, egyre gyengébbé válik, amikor a szubatomi részecskék közelebb kerülnek egymáshoz. A Fermilab szerint akkor éri el a maximális szilárdságot, ha a részecskék a legtávolabb vannak egymástól. Ha a hatótávolságon belül vannak, a tömeg nélküli töltött boszonok, úgynevezett gluonok, továbbítják az erőt a kvarkok között, és "összeragasztva" tartják őket. Az erős erő apró része, amelyet úgy hívnak, hogy a maradék erős erő protonok és neutronok között hat. A magban lévő protonok hasonló töltésük miatt visszatükrözik egymást, de a fennmaradó erős erő képes legyőzni ezt a visszatérést, így a részecskék egy atommagban kötve maradnak.
Egyesítő természet
A négy alapvető erő kiemelkedő kérdése az, hogy valóban a világegyetem egyetlen nagy erőjének megnyilvánulásai-e. Ha igen, akkor mindegyiknek képesnek kell lennie arra, hogy összeolvadjon a többiekkel, és már van bizonyíték arra, hogy megtehetik.
A fizikusok Sheldon Glashow és Steven Weinberg (a londoni Imperial College kollégiumának Abdus Salammal) és a Harvard Egyetem a fizika Nobel-díját nyerte el 1979-ben az elektromágneses erőnek a gyenge erővel történő egyesítéséért, hogy az elektromos fékező erő fogalmát képezzék. Az úgynevezett nagy, egységes elmélet megtalálására törekszõ fizikusok arra törekszenek, hogy az elektromos áramlási erõt az erõteljes energiával egyesítsék egy elektronukleáris erõ meghatározására, amelyet a modellek megjósoltak, de a kutatók még nem figyeltek meg. A rejtvény utolsó darabja megköveteli a gravitáció egyesítését az elektronmaggal, hogy kifejlesszék az úgynevezett mindent elméletet, egy elméleti keretet, amely megmagyarázhatja az egész univerzumot.
A fizikusoknak azonban nagyon nehéznek bizonyult a mikroszkopikus világ összeolvadása a makroszkopikus világgal. Nagy és különösen csillagászati skálán a gravitáció dominál, és ezt a legjobban Einstein általános relativitáselmélete írja le. De a molekuláris, atomi vagy szubatomi skálán a kvantummechanika a legjobban leírja a természeti világot. És eddig senki sem jött fel a kétféle világ összeolvadásának jó módszerével.
A kvantum gravitációt tanulmányozó fizikusok célja, hogy leírják az erőt a kvantum világban, amely segíthet az összeolvadásban. Ennek a megközelítésnek a alapja a gravitonok felfedezése, a gravitációs erő elméleti erőhordozó boszonja. A gravitáció az egyetlen alapvető erő, amelyet a fizikusok jelenleg képesek leírni erőhordozó részecskék nélkül. Mivel azonban az összes többi alapvető erő leírására erőhordozó részecskékre van szükség, a tudósok elvárják, hogy a gravitonoknak létezzenek szubatomi szinten - a kutatók még nem találták meg ezeket a részecskéket.
A történetet tovább bonyolítja a sötét anyag és a sötét energia láthatatlan területe, amelyek az univerzum körülbelül 95% -át teszik ki. Nem világos, hogy a sötét anyag és az energia egyetlen részecskéből, vagy részecskék egészéből áll-e, amelyeknek megvan a saját erő és a hírvivő boszon.
A jelenlegi érdeklõdés elsõdleges hírvivõ részecskéje az elméleti sötét foton, amely közvetíti a látható és láthatatlan univerzum kölcsönhatásait. Ha léteznek sötét fotonok, akkor azok lennének a kulcsa a sötét anyag láthatatlan világának felfedezéséhez, és ötödik alapvető erő felfedezéséhez vezethetnek. Eddig azonban nincs bizonyíték arra, hogy sötét fotonok léteznek, és néhány kutatás szilárd bizonyítékokat kínálott arra, hogy ezek a részecskék nem léteznek.
