De fire grundlæggende kræfter i naturen

Fra at gå på gaden, til at skyde en raket ud i rummet, til at sætte en magnet på dit køleskab, virker fysiske kræfter rundt omkring os. Men alle de kræfter, som vi oplever hver dag (og mange, som vi ikke er klar over, at vi oplever hver dag) kan piskes ned til kun fire grundlæggende kræfter:

1. Tyngdekraft.
2. Den svage kraft.
3. Elektromagnetisme.
4. Den stærke kraft.

Disse kaldes de fire grundlæggende naturkræfter, og de styrer alt, hvad der sker i universet.

Tyngdekraft

Tyngdekraft er tiltrækningen mellem to objekter, der har masse eller energi, uanset om dette ses ved at droppe en klippe fra en bro, en planet, der kredser om en stjerne eller månen forårsager tidevand. Tyngdekraften er sandsynligvis den mest intuitive og velkendte af de grundlæggende kræfter, men det har også været en af ​​de mest udfordrende at forklare.

Isaac Newton var den første til at foreslå tyngdekraften, angiveligt inspireret af et æble, der falder ned fra et træ. Han beskrev tyngdekraften som en bogstavelig tiltrækning mellem to genstande. Århundreder senere antydede Albert Einstein gennem sin teori om generel relativitet, at tyngdekraften ikke er en attraktion eller en styrke. I stedet er det en konsekvens af genstande, der bøjer rum-tid. Et stort objekt fungerer på rumtid lidt som hvordan en stor kugle placeret i midten af ​​et ark påvirker dette materiale, deformerer det og får andre, mindre objekter på arket til at falde mod midten.

Selvom tyngdekraften holder planeter, stjerner, solsystemer og endda galakser sammen, viser det sig at være den svageste af de grundlæggende kræfter, især ved molekyl- og atomskalaen. Tænk på det på denne måde: Hvor svært er det at løfte en bold fra jorden? Eller at løfte din fod? Eller at hoppe? Alle disse handlinger modvirker gravens alvor på hele Jorden. Og på molekyl- og atomniveauer har tyngdekraften næsten ingen virkning i forhold til de andre grundlæggende kræfter.

Den svage kraft

Den svage kraft, også kaldet den svage nukleare vekselvirkning, er ansvarlig for partikelnedbrydning. Dette er den bogstavelige ændring af en type subatomisk partikel til en anden. Så for eksempel kan en neutrino, der kaster sig tæt på et neutron, omdanne neutronen til en proton, mens neutrinoen bliver et elektron.

Fysikere beskriver denne interaktion gennem udveksling af kraftbærende partikler kaldet bosoner. Specifikke slags bosoner er ansvarlige for den svage kraft, den elektromagnetiske kraft og den stærke kraft. I den svage kraft er bosonerne ladede partikler kaldet W og Z-bosoner. Når subatomære partikler såsom protoner, neutroner og elektroner kommer inden for 10 ^ -18 meter, eller 0,1% af diameteren på en proton, på hinanden, kan de udveksle disse bosoner. Som et resultat forfalder de subatomære partikler til nye partikler, ifølge Georgia State University's HyperPhysics websted.

Den svage kraft er kritisk for de nukleare fusionsreaktioner, der driver solen og producerer den energi, der er nødvendig til de fleste livsformer her på Jorden. Det er også grunden til, at arkæologer kan bruge carbon-14 til dato gamle knogler, træ og andre tidligere levende artefakter. Carbon-14 har seks protoner og otte neutroner; en af ​​disse neutroner nedbrydes til en proton for at fremstille nitrogen-14, der har syv protoner og syv neutroner. Dette henfald sker med en forudsigelig hastighed, hvilket giver forskere mulighed for at bestemme, hvor gamle sådanne artefakter er.

Elektromagnetisk kraft

Den elektromagnetiske kraft, også kaldet Lorentz-kraften, virker mellem ladede partikler, ligesom negativt ladede elektroner og positivt ladede protoner. Modsatte afgifter tiltrækker hinanden, mens lignende afgifter afviser. Jo større ladning, jo større er styrken. Og ligesom tyngdekraften kan denne kraft mærkes fra en uendelig afstand (omend kraften ville være meget, meget lille i denne afstand).

Som navnet antyder, består den elektromagnetiske kraft af to dele: den elektriske kraft og den magnetiske kraft. Først beskrev fysikere disse kræfter som adskilt fra hinanden, men forskere indså senere, at de to er komponenter af den samme kraft.

Den elektriske komponent fungerer mellem ladede partikler, uanset om de bevæger sig eller står stille, hvilket skaber et felt, hvor ladningerne kan påvirke hinanden. Men når de først er sat i bevægelse, begynder de ladede partikler at vise den anden komponent, den magnetiske kraft. Partiklerne skaber et magnetfelt omkring dem, når de bevæger sig. Så når elektroner zoomer gennem en ledning for at oplade din computer eller telefon eller tænde for dit tv, for eksempel, bliver ledningen magnetisk.

Elektromagnetiske kræfter overføres mellem ladede partikler gennem udveksling af masseløse, kraftbærende bosoner kaldet fotoner, som også er partikelkomponenterne i lys. De kraftbærende fotoner, der skifter mellem ladede partikler, er imidlertid en anden manifestation af fotoner. De er virtuelle og ikke påviselige, selvom de teknisk set er de samme partikler som den virkelige og detekterbare version, ifølge University of Tennessee, Knoxville.

Den elektromagnetiske kraft er ansvarlig for nogle af de mest almindeligt oplevede fænomener: friktion, elasticitet, den normale kraft og kraften, der holder faststoffer sammen i en given form. Det er endda ansvarlig for det træk, som fugle, fly og endda Superman oplever, mens du flyver. Disse handlinger kan forekomme på grund af ladede (eller neutraliserede) partikler, der interagerer med hinanden. Den normale kraft, der holder en bog oven på et bord (i stedet for at tyngdekraften trækker bogen igennem til jorden), er for eksempel en konsekvens af, at elektroner i bordets atomer frastøder elektroner i bogens atomer.

Den stærke atomkraft

Den stærke atomkraft, også kaldet den stærke nukleare interaktion, er den stærkeste af de fire grundlæggende naturkræfter. Det er 6 tusind billioner billioner (det er 39 nuller efter 6!) Gange stærkere end tyngdekraften ifølge HyperPhysics websted. Og det er fordi det binder de grundlæggende partikler af materie sammen for at danne større partikler. Det holder sammen kvarkerne, der udgør protoner og neutroner, og en del af den stærke kraft holder også protoner og neutroner fra et atomkern sammen.

Ligesom den svage kraft fungerer den stærke kraft kun, når subatomære partikler er ekstremt tæt på hinanden. De skal være et sted inden for 10 til 15 meter fra hinanden, eller nogenlunde inden for en protons diameter, ifølge HyperPhysics websted.

Den stærke kraft er dog underlig, fordi den i modsætning til nogen af ​​de andre grundlæggende kræfter bliver svagere, når subatomære partikler bevæger sig tættere sammen. Det når faktisk maksimal styrke, når partiklerne er længst væk fra hinanden, ifølge Fermilab. Når de er inden for rækkevidde, overfører masseløse ladede bosoner kaldet gluoner den stærke kraft mellem kvarkerne og holder dem "limet" sammen. En lille brøkdel af den stærke kraft, der kaldes den resterende stærke kraft, virker mellem protoner og neutroner. Protoner i kernen frastøder hinanden på grund af deres lignende ladning, men den resterende stærke kraft kan overvinde denne frastødning, så partiklerne forbliver bundet i et atomkern.

Forenende natur

Det udestående spørgsmål med de fire grundlæggende kræfter er, om de faktisk er manifestationer af kun en enkelt stor styrke i universet. I så fald skal hver af dem kunne smelte sammen med de andre, og der er allerede bevis for, at de kan.

Fysikere Sheldon Glashow og Steven Weinberg fra Harvard University med Abdus Salam fra Imperial College London vandt Nobelprisen i fysik i 1979 for at forene den elektromagnetiske kraft med den svage kraft til at danne konceptet med elektrækstyrken. Fysikere, der arbejder for at finde en såkaldt grand unified theory, sigter mod at forene electroweak-styrken med den stærke kraft for at definere en elektronisk kernekraft, som modeller har forudsagt, men forskere har endnu ikke observeret. Det sidste stykke af puslespillet ville derefter kræve forening af tyngdekraften med den elektroniske kernekraft for at udvikle den såkaldte teori om alting, en teoretisk ramme, der kunne forklare hele universet.

Fysikere har imidlertid fundet det ret vanskeligt at flette den mikroskopiske verden med den makroskopiske verden. På store og især astronomiske skalaer dominerer tyngdekraften og beskrives bedst af Einsteins teori om generel relativitet. Men ved molekylære, atomære eller subatomære skalaer beskriver kvantemekanikken bedst den naturlige verden. Og indtil videre har ingen fundet en god måde at fusionere disse to verdener på.

Fysikere, der studerer kvantetyngdekraft, sigter mod at beskrive kraften med hensyn til kvanteverdenen, hvilket kan hjælpe med sammensmeltningen. Grundlæggende for denne fremgangsmåde ville være opdagelsen af ​​gravitationer, gravitationsstyrkens teoretiske kraftbærende boson. Tyngdekraften er den eneste grundlæggende kraft, som fysikere i øjeblikket kan beskrive uden at bruge kraftbærende partikler. Men fordi beskrivelser af alle de andre grundlæggende kræfter kræver kraftbærende partikler, forventer forskere, at gravitationer skal eksistere på det subatomære niveau - forskere har bare ikke fundet disse partikler endnu.

Yderligere komplicerer historien er den usynlige verden af ​​mørk stof og mørk energi, der udgør cirka 95% af universet. Det er uklart, om mørkt stof og energi består af en enkelt partikel eller et helt sæt partikler, der har deres egne kræfter og messenger-bosoner.

Den primære messengerpartikel af aktuelle interesse er den teoretiske mørke foton, der ville formidle interaktioner mellem det synlige og usynlige univers. Hvis der findes mørke fotoner, ville de være nøglen til at opdage den usynlige verden af ​​mørkt stof og kunne føre til opdagelsen af ​​en femte grundlæggende kraft. Indtil videre er der dog ikke noget, der tyder på, at der findes mørke fotoner, og nogle undersøgelser har tilbudt stærke bevis for, at disse partikler ikke findes.