Från att gå på gatan, till att skjuta ut en raket ut i rymden, att fästa en magnet på ditt kylskåp, verkar fysiska krafter runt omkring oss. Men alla krafter som vi upplever varje dag (och många som vi inte inser att vi upplever varje dag) kan delas till bara fyra grundläggande krafter:
- Allvar.
- Den svaga kraften.
- Elektromagnetism.
- Den starka kraften.
Dessa kallas de fyra grundläggande krafterna i naturen, och de styr allt som händer i universum.
Allvar
Tyngdkraft är attraktionen mellan två föremål som har massa eller energi, oavsett om detta ses i att man släpper en sten från en bro, en planet som kretsar kring en stjärna eller månen orsakar tidvatten. Tyngdkraften är förmodligen den mest intuitiva och bekanta av de grundläggande krafterna, men det har också varit en av de mest utmanande att förklara.
Isaac Newton var den första som föreslog tanken om tyngdkraft, förmodligen inspirerad av ett äpple som faller från ett träd. Han beskrev tyngdkraften som en bokstavlig attraktion mellan två föremål. Århundraden senare föreslog Albert Einstein, genom sin teori om allmän relativitet, att gravitationen inte är en attraktion eller en kraft. Istället är det en konsekvens av att objekt böjer rymdtid. Ett stort föremål fungerar i rymdtid precis som hur en stor boll placerad i mitten av ett ark påverkar det materialet, deformerar det och får andra, mindre föremål på arket att falla mot mitten.
Även om tyngdkraften håller planeter, stjärnor, solsystem och till och med galaxer tillsammans, visar det sig vara den svagaste av de grundläggande krafterna, särskilt på molekyl- och atomvågen. Tänk på det här sättet: Hur svårt är det att lyfta en boll från marken? Eller att lyfta foten? Eller att hoppa? Alla dessa åtgärder motverkar all jordens allvar. Och på molekyl- och atomnivåer har tyngdkraften nästan ingen effekt i förhållande till de andra grundläggande krafterna.
Den svaga kraften
Den svaga kraften, även kallad den svaga nukleära växelverkan, är ansvarig för partikelnedbrytningen. Detta är den bokstavliga förändringen av en typ av subatomär partikel till en annan. Så till exempel kan en neutrino som strömmar nära en neutron förvandla neutronen till en proton medan neutrinoen blir en elektron.
Fysiker beskriver denna interaktion genom utbyte av kraftbärande partiklar som kallas bosoner. Specifika slags bosoner är ansvariga för den svaga kraften, den elektromagnetiska kraften och den starka kraften. I den svaga kraften är bosonerna laddade partiklar som kallas W och Z-bosoner. När subatomära partiklar som protoner, neutroner och elektroner kommer inom 10 ^ -18 meter, eller 0,1% av diametern på en proton, till varandra, kan de byta ut dessa bosoner. Som ett resultat förfaller de subatomära partiklarna till nya partiklar, enligt Georgia State University: s HyperPhysics webbplats.
Den svaga kraften är avgörande för kärnfusionsreaktionerna som driver solen och producerar den energi som behövs för de flesta livsformer här på jorden. Det är också varför arkeologer kan använda kol-14 hittills antika ben, trä och andra tidigare levande artefakter. Kol-14 har sex protoner och åtta neutroner; en av dessa neutroner sönderfaller till en proton för att göra kväve-14, som har sju protoner och sju neutroner. Detta förfall sker i en förutsägbar takt, vilket gör det möjligt för forskare att bestämma hur gamla sådana artefakter är.
Elektromagnetisk kraft
Den elektromagnetiska kraften, även kallad Lorentz-kraften, verkar mellan laddade partiklar, som negativt laddade elektroner och positivt laddade protoner. Motsatta avgifter lockar varandra, medan liknande avgifter stöter. Ju större laddning, desto större kraft. Och ungefär som tyngdkraften kan denna kraft kännas från ett oändligt avstånd (om än kraften skulle vara mycket, mycket liten på det avståndet).
Som namnet antyder består den elektromagnetiska kraften av två delar: den elektriska kraften och den magnetiska kraften. Till en början beskrev fysiker dessa krafter som separata från varandra, men forskare insåg senare att de två är komponenter av samma kraft.
Den elektriska komponenten verkar mellan laddade partiklar oavsett om de rör sig eller är stationära, vilket skapar ett fält där laddningarna kan påverka varandra. Men när de laddade partiklarna börjat börja visa den andra komponenten, den magnetiska kraften. Partiklarna skapar ett magnetfält runt dem när de rör sig. Så när elektroner zooma genom en tråd för att ladda din dator eller telefon eller slå på din TV, till exempel, blir kabeln magnetisk.
Elektromagnetiska krafter överförs mellan laddade partiklar genom utbyte av masslösa, kraftbärande bosoner som kallas fotoner, som också är partikelkomponenterna i ljus. De kraftbärande fotonerna som byter mellan laddade partiklar är emellertid en annan manifestation av fotoner. De är virtuella och oupptäckbara, även om de tekniskt är samma partiklar som den verkliga och detekterbara versionen, enligt University of Tennessee, Knoxville.
Den elektromagnetiska kraften är ansvarig för några av de mest upplevda fenomenen: friktion, elasticitet, normalkraften och kraften som håller fast material i en viss form. Det är till och med ansvaret för det drag som fåglar, flygplan och till och med Superman upplever när du flyger. Dessa åtgärder kan uppstå på grund av laddade (eller neutraliserade) partiklar som interagerar med varandra. Normalkraften som håller en bok ovanpå ett bord (istället för att tyngdkraften drar boken till marken) är till exempel en följd av att elektroner i bordets atomer avvisar elektroner i bokens atomer.
Den starka kärnkraften
Den starka kärnkraften, även kallad den starka kärnkraftsinteraktionen, är den starkaste av de fyra grundläggande krafterna i naturen. Det är 6 tusen biljoner biljoner (det är 39 nollor efter 6!) Gånger starkare än tyngdkraften enligt HyperPhysics webbplats. Och det beror på att det binder samman de grundläggande partiklarna av materia för att bilda större partiklar. Det håller samman kvarkarna som utgör protoner och neutroner, och en del av den starka kraften håller också protonerna och neutronerna i en atoms kärna tillsammans.
Liksom den svaga kraften fungerar den starka kraften endast när subatomära partiklar är extremt nära varandra. De måste vara någonstans inom 10 ^ -15 meter från varandra, eller ungefär inom en protons diameter, enligt HyperPhysics webbplats.
Den starka kraften är dock udda, för till skillnad från någon av de andra grundläggande krafterna blir den svagare när subatomära partiklar rör sig närmare varandra. Det når faktiskt maximal hållfasthet när partiklarna är längst bort från varandra, enligt Fermilab. En gång inom räckvidden överför masslösa laddade bosoner som kallas gluoner den starka kraften mellan kvarkarna och håller dem "limmade" ihop. En liten fraktion av den starka kraften som kallas den kvarvarande starka kraften verkar mellan protoner och neutroner. Protoner i kärnan stöter varandra på grund av deras liknande laddning, men den kvarvarande starka kraften kan övervinna denna avvisning, så att partiklarna förblir bundna i en atoms kärna.
Enande natur
Den enastående frågan om de fyra grundläggande krafterna är huruvida de faktiskt är manifestationer av en enda stor kraft i universum. I så fall borde var och en av dem kunna smälta samman med de andra, och det finns redan bevis för att de kan.
Fysikerna Sheldon Glashow och Steven Weinberg från Harvard University med Abdus Salam från Imperial College London vann Nobelpriset i fysik 1979 för att förena den elektromagnetiska kraften med den svaga kraften för att bilda konceptet med elektrockkraften. Fysiker som arbetar för att hitta en så kallad storslagen enhetlig teori syftar till att förena elektrockkraften med den starka kraften för att definiera en elektronkärnkraft, som modeller har förutspått men forskare ännu inte har observerat. Det sista stycket i pusslet skulle då kräva att man förenar allvar med den elektronukleära kraften för att utveckla den så kallade teorin om allt, en teoretisk ram som kan förklara hela universum.
Fysiker har dock haft det ganska svårt att slå samman den mikroskopiska världen med den makroskopiska. På stora och särskilt astronomiska skalor dominerar tyngdkraften och beskrivs bäst av Einsteins teori om allmän relativitet. Men på molekylära, atomära eller subatomära skalor beskriver kvantmekanik bäst den naturliga världen. Och hittills har ingen kommit med ett bra sätt att slå samman dessa två världar.
Fysiker som studerar kvanttyngd syftar till att beskriva kraften i termer av kvantvärlden, vilket kan hjälpa till med sammanslagningen. Grundläggande för den metoden skulle vara upptäckten av gravitationer, den gravida kraftens teoretiska kraftbärande boson. Gravitet är den enda grundläggande kraften som fysiker för närvarande kan beskriva utan att använda kraftbärande partiklar. Men eftersom beskrivningar av alla andra grundläggande krafter kräver kraftbärande partiklar, förväntar forskare gravitationer måste existera på den subatomära nivån - forskare har bara inte hittat dessa partiklar än.
Ytterligare komplicerar historien är den osynliga världen av mörk materia och mörk energi, som utgör ungefär 95% av universum. Det är oklart om mörk materia och energi består av en enda partikel eller en hel uppsättning partiklar som har sina egna krafter och budbärare.
Den primära messengerpartikeln av aktuellt intresse är den teoretiska mörka fotonen, som skulle förmedla interaktioner mellan det synliga och osynliga universum. Om det finns mörka fotoner, skulle de vara nyckeln till att upptäcka den osynliga världen av mörk materia och kan leda till upptäckten av en femte grundkraft. Än så länge finns det dock inga bevis för att mörka fotoner finns, och viss forskning har gett starka bevis på att dessa partiklar inte existerar.
