Od chodzenia po ulicy, po wystrzelenie rakiety w kosmos, po przyczepienie magnesu do lodówki, siły fizyczne działają wokół nas. Ale wszystkie siły, których doświadczamy na co dzień (i wiele, o których nie wiemy, że doświadczamy na co dzień) można zredukować do zaledwie czterech podstawowych sił:
- Powaga.
- Słaba siła.
- Elektromagnetyzm.
- Silna siła.
Są to tak zwane cztery podstawowe siły natury i rządzą wszystkim, co dzieje się we wszechświecie.
Powaga
Grawitacja jest przyciąganiem między dwoma obiektami, które mają masę lub energię, niezależnie od tego, czy jest to widoczne po zrzuceniu skały z mostu, planety krążącej wokół gwiazdy lub księżyca powodując przypływy oceanów. Grawitacja jest prawdopodobnie najbardziej intuicyjną i znaną z podstawowych sił, ale była również jedną z najtrudniejszych do wyjaśnienia.
Isaac Newton jako pierwszy zaproponował ideę grawitacji, podobno zainspirowaną spadającym z drzewa jabłkiem. Opisał grawitację jako dosłowne przyciąganie między dwoma przedmiotami. Wieki później Albert Einstein zasugerował, poprzez swoją teorię ogólnej teorii względności, że grawitacja nie jest przyciąganiem ani siłą. Zamiast tego jest konsekwencją gięcia obiektów w czasoprzestrzeni. Duży obiekt działa w czasoprzestrzeni trochę tak, jak duża kula umieszczona na środku arkusza wpływa na ten materiał, odkształcając go i powodując, że inne, mniejsze obiekty na arkuszu spadają w kierunku środka.
Chociaż grawitacja utrzymuje razem planety, gwiazdy, układy słoneczne, a nawet galaktyki, okazuje się, że jest to najsłabsza z sił podstawowych, szczególnie w skali molekularnej i atomowej. Pomyśl o tym w ten sposób: jak trudno jest podnieść piłkę z ziemi? Lub podnieść stopę? Czy skakać? Wszystkie te działania przeciwdziałają grawitacji całej Ziemi. A na poziomie molekularnym i atomowym grawitacja prawie nie ma wpływu na inne podstawowe siły.
Słaba siła
Słaba siła, zwana także słabym oddziaływaniem jądrowym, jest odpowiedzialna za rozpad cząstek. Jest to dosłowna zmiana jednego rodzaju cząstek subatomowych na inny. Na przykład neutrino, które zbliża się do neutronu, może przekształcić neutron w proton, podczas gdy neutrino staje się elektronem.
Fizycy opisują tę interakcję poprzez wymianę cząstek przenoszących siłę zwanych bozonami. Określone rodzaje bozonów są odpowiedzialne za słabą siłę, siłę elektromagnetyczną i siłę silną. W słabej sile bozony są naładowanymi cząsteczkami zwanymi bozonami W i Z. Kiedy cząstki subatomowe, takie jak protony, neutrony i elektrony, znajdują się w odległości 10–18 metrów, czyli 0,1% średnicy protonu, mogą się wzajemnie wymieniać. W rezultacie cząstki subatomowe rozpadają się na nowe, zgodnie ze stroną internetową HyperPhysics na Georgia State University.
Słaba siła ma krytyczne znaczenie dla reakcji syntezy jądrowej, które zasilają słońce i wytwarzają energię potrzebną większości form życia na Ziemi. Właśnie dlatego archeolodzy mogą do tej pory wykorzystywać węgiel-14 do starożytnych kości, drewna i innych żywych artefaktów. Węgiel-14 ma sześć protonów i osiem neutronów; jeden z tych neutronów rozpada się na proton, tworząc azot-14, który ma siedem protonów i siedem neutronów. Rozpad ten odbywa się w przewidywalnym tempie, co pozwala naukowcom ustalić, ile lat mają takie artefakty.
Siła elektromagnetyczna
Siła elektromagnetyczna, zwana także siłą Lorentza, działa między naładowanymi cząsteczkami, podobnie jak ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane protony. Przeciwne ładunki przyciągają się, podobnie jak ładunki odpychają. Im większy ładunek, tym większa siła. I podobnie jak grawitacja, siłę tę można wyczuć z nieskończonej odległości (chociaż siła byłaby bardzo, bardzo mała w tej odległości).
Jak sama nazwa wskazuje, siła elektromagnetyczna składa się z dwóch części: siły elektrycznej i siły magnetycznej. Początkowo fizycy opisywali te siły jako oddzielne od siebie, ale później naukowcy zdali sobie sprawę, że oba są składnikami tej samej siły.
Składnik elektryczny działa między naładowanymi cząsteczkami, bez względu na to, czy się poruszają, czy stoją, tworząc pole, przez które ładunki mogą na siebie wpływać. Ale po uruchomieniu te naładowane cząstki zaczynają wyświetlać drugi składnik, siłę magnetyczną. Cząsteczki tworzą wokół siebie pole magnetyczne podczas ruchu. Kiedy więc elektrony zbliżają się przez przewód, aby naładować komputer lub telefon lub włączyć telewizor, na przykład drut staje się magnetyczny.
Siły elektromagnetyczne są przenoszone między naładowanymi cząsteczkami poprzez wymianę bezmasowych, przenoszących siłę bozonów zwanych fotonami, które są również cząstkami światła. Fotony przenoszące siłę, które zamieniają się między naładowanymi cząsteczkami, są jednak inną manifestacją fotonów. Według University of Tennessee w Knoxville są wirtualne i niewykrywalne, mimo że technicznie są to te same cząsteczki, co rzeczywista i wykrywalna wersja.
Siła elektromagnetyczna jest odpowiedzialna za niektóre z najczęściej doświadczanych zjawisk: tarcie, elastyczność, siłę normalną i siłę utrzymującą ciała stałe w danym kształcie. Jest nawet odpowiedzialny za opór, jakiego doświadczają ptaki, samoloty, a nawet Superman podczas lotu. Działania te mogą wystąpić z powodu oddziaływań naładowanych (lub zneutralizowanych) cząstek. Na przykład normalna siła, która utrzymuje książkę na stole (zamiast grawitacji ciągnącej książkę na ziemię), jest na przykład konsekwencją elektronów w atomach stołu odpychających elektrony w atomach książki.
Silna siła nuklearna
Silna siła nuklearna, zwana także silną interakcją nuklearną, jest najsilniejszą z czterech podstawowych sił natury. Według strony internetowej HyperPhysics jest to 6 tysięcy bilionów bilionów bilionów (to 39 zer po 6!) Razy silniejszych niż siła grawitacji. A to dlatego, że wiąże podstawowe cząstki materii razem, tworząc większe cząstki. Łączy kwarki tworzące protony i neutrony, a część silnej siły utrzymuje razem protony i neutrony jądra atomu razem.
Podobnie jak siła słaba, siła silna działa tylko wtedy, gdy cząsteczki subatomowe są bardzo blisko siebie. Muszą znajdować się w odległości 10–15 metrów od siebie lub w przybliżeniu w średnicy protonu, zgodnie ze stroną internetową HyperPhysics.
Silna siła jest jednak dziwna, ponieważ w przeciwieństwie do innych podstawowych sił, słabnie, gdy cząsteczki subatomowe zbliżają się do siebie. Według Fermilaba osiąga on maksymalną siłę, gdy cząstki znajdują się najdalej od siebie. Gdy znajdą się w zasięgu, bezmasowe naładowane bozony zwane gluonami przenoszą silną siłę między kwarkami i utrzymują je „sklejone” razem. Niewielka część silnej siły zwana resztkową silną siłą działa między protonami i neutronami. Protony w jądrze odpychają się nawzajem ze względu na podobny ładunek, ale resztkowa silna siła może pokonać to odpychanie, więc cząsteczki pozostają związane w jądrze atomu.
Zjednoczenie natury
Nierozstrzygnięte pytanie czterech podstawowych sił brzmi, czy faktycznie są one przejawami pojedynczej wielkiej siły wszechświata. Jeśli tak, każdy z nich powinien móc połączyć się z innymi, a są już dowody na to, że potrafią.
Fizycy Sheldon Glashow i Steven Weinberg z Harvard University wraz z Abdusem Salamem z Imperial College London zdobyli Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1979 r. Za zjednoczenie siły elektromagnetycznej ze słabą siłą w celu stworzenia koncepcji siły elektro-słabej. Fizycy pracujący nad tak zwaną wielką ujednoliconą teorią dążą do zjednoczenia siły elektro-słabej z siłą silną w celu zdefiniowania siły elektrojądrowej, czego przewidywały modele, ale naukowcy jeszcze nie zaobserwowali. Ostateczny element układanki wymagałby wówczas zjednoczenia grawitacji z siłą elektrojądrową, aby opracować tak zwaną teorię wszystkiego, teoretyczne ramy, które mogłyby wyjaśnić cały wszechświat.
Jednak fizycy mają trudności z połączeniem mikroskopijnego świata z makroskopowym. W dużych i szczególnie astronomicznych skalach dominuje grawitacja i najlepiej ją opisuje teoria względności ogólnej Einsteina. Ale w skali molekularnej, atomowej lub subatomowej mechanika kwantowa najlepiej opisuje świat naturalny. Jak dotąd nikt nie wymyślił dobrego sposobu na połączenie tych dwóch światów.
Fizycy badający grawitację kwantową starają się opisać siłę w kategoriach świata kwantowego, co mogłoby pomóc w scaleniu. Podstawą tego podejścia byłoby odkrycie grawitonów, teoretycznego bozonu przenoszącego siłę siły grawitacji. Grawitacja jest jedyną fundamentalną siłą, którą fizycy mogą obecnie opisać bez użycia cząstek przenoszących siłę. Ponieważ jednak opisy wszystkich innych sił podstawowych wymagają cząstek przenoszących siłę, naukowcy spodziewają się, że grawitony muszą istnieć na poziomie subatomowym - naukowcy po prostu jeszcze ich nie znaleźli.
Dalszą komplikacją tej historii jest niewidzialna kraina ciemnej materii i ciemnej energii, która stanowi około 95% wszechświata. Nie jest jasne, czy ciemna materia i energia składają się z pojedynczej cząstki, czy z całego zestawu cząstek, które mają własne siły i bozony posłańca.
Podstawową cząstką przekaźnika będącą przedmiotem zainteresowania jest teoretyczny ciemny foton, który pośredniczy w oddziaływaniach między widzialnym i niewidzialnym wszechświatem. Gdyby istniały ciemne fotony, byłyby one kluczem do wykrycia niewidzialnego świata ciemnej materii i mogłyby doprowadzić do odkrycia piątej fundamentalnej siły. Jak dotąd jednak nie ma dowodów na istnienie ciemnych fotonów, a niektóre badania wykazały mocne dowody, że te cząstki nie istnieją.
