4 podstawowe siły fizyki

Ten widok z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a ujawnia tysiące galaktyk rozciągających się w czasie na miliardy lat świetlnych przestrzeni. Zdjęcie obejmuje część dużego spisu galaktyk zwanego Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS). NASA, ESA, GOODS Team i M. Giavialisco (University of Massachusetts, Amherst)

Podstawowe siły (lub fundamentalne interakcje) fizyka to sposoby, w jakie poszczególne cząstki oddziałują ze sobą. Okazuje się, że każdą obserwowaną interakcję zachodzącą we wszechświecie można rozbić i opisać tylko czterema (no, ogólnie czterema, o czym później) rodzajami interakcji:

• Powaga
• Elektromagnetyzm
• Słaba interakcja (lub słaba siła jądrowa)
• Silna interakcja (lub silna siła jądrowa)

Powaga

Spośród podstawowych sił grawitacja ma najdalszy zasięg, ale jest najsłabsza pod względem rzeczywistej wielkości.

Jest to czysto przyciągająca siła, która sięga nawet przez „pustą” pustkę przestrzeni, aby czerpać dwie msze wobec siebie. Utrzymuje planety na orbicie wokół Słońca, a Księżyc na orbicie wokół Ziemi.

Grawitacja jest opisana pod teoria ogólnej teorii względności , który definiuje ją jako krzywiznę czasoprzestrzeni wokół obiektu masy. Ta krzywizna z kolei stwarza sytuację, w której droga najmniejszej energii prowadzi w kierunku drugiego obiektu masy.

Elektromagnetyzm

Elektromagnetyzm to oddziaływanie cząstek z ładunkiem elektrycznym. Naładowane cząstki w spoczynku oddziałują poprzezsiły elektrostatyczne, podczas ruchu oddziałują zarówno siłami elektrycznymi, jak i magnetycznymi.

Przez długi czas siły elektryczne i magnetyczne były uważane za różne siły, ale ostatecznie zostały zjednoczone przez: James Clerk Maxwell w 1864, zgodnie z równaniami Maxwella. W latach 40. elektrodynamika kwantowa skonsolidowała elektromagnetyzm z fizyką kwantową.

Elektromagnetyzm jest prawdopodobnie najbardziej powszechną siłą w naszym świecie, ponieważ może wpływać na rzeczy z rozsądnej odległości i ze sporą siłą.

Słaba interakcja

Oddziaływanie słabe to bardzo potężna siła działająca w skali jądra atomowego. Powoduje takie zjawiska jak rozpad beta. Został on skonsolidowany z elektromagnetyzmem jako pojedyncza interakcja zwana 'interakcją elektrosłabą'. W oddziaływaniu słabym pośredniczy bozon W (są dwa typy, W⁺i W^-bozony), a także bozon Z.

Silna interakcja

Najsilniejszą z sił jest trafnie nazwane oddziaływanie silne, które jest siłą, która między innymi utrzymuje ze sobą związane nukleony (protony i neutrony). w atom helu , na przykład jest wystarczająco mocny, aby związać dwa protony razem, mimo że ich dodatnie ładunki elektryczne powodują, że się odpychają.

W istocie oddziaływanie silne umożliwia cząstkom zwanym gluonami wiązanie ze sobą kwarków w celu stworzenia nukleonów. Gluony mogą również oddziaływać z innymi gluonami, co daje silną interakcję w teoretycznie nieskończonej odległości, chociaż jej główne przejawy są na poziomie subatomowym.

Jednoczenie sił podstawowych

Wielu fizyków uważa, że ​​wszystkie cztery fundamentalne siły są w rzeczywistości przejawami jednej podstawowej (lub zunifikowanej) siły, która nie została jeszcze odkryta. Tak jak elektryczność, magnetyzm i słabe siły zostały zjednoczone w oddziaływaniu elektrosłabym, działają one na rzecz zjednoczenia wszystkich podstawowych sił.

Obecny interpretacja mechaniki kwantowej z tych sił wynika, że ​​cząstki nie oddziałują bezpośrednio, ale raczej manifestują wirtualne cząstki, które pośredniczą w rzeczywistych interakcjach. Wszystkie siły z wyjątkiem grawitacji zostały skonsolidowane w tym „Standardowym Modelu” interakcji.

Próba zjednoczenia grawitacji z pozostałymi trzema podstawowymi siłami nazywa się grawitacja kwantowa . Postuluje istnienie cząstki wirtualnej zwany grawitonem, który byłby elementem pośredniczącym w oddziaływaniach grawitacyjnych. Do tej pory grawitony nie zostały wykryte, a żadne teorie kwantowej grawitacji nie odniosły sukcesu ani nie zostały powszechnie przyjęte.