Από το περπάτημα στο δρόμο, την εκτόξευση ενός πυραύλου στο διάστημα, τη συγκράτηση ενός μαγνήτη στο ψυγείο σας, οι φυσικές δυνάμεις ενεργούν παντού γύρω μας. Όμως, όλες οι δυνάμεις που βιώνουμε καθημερινά (και πολλοί που δεν συνειδητοποιούμε ότι βιώνουμε καθημερινά) μπορούν να υποχωρηθούν σε τέσσερις μόνο θεμελιώδεις δυνάμεις:
- Βαρύτητα.
- Η αδύναμη δύναμη.
- Ηλεκτρομαγνητισμός.
- Η ισχυρή δύναμη.
Αυτές ονομάζονται οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης και κυβερνούν όλα όσα συμβαίνουν στο σύμπαν.
Βαρύτητα
Η βαρύτητα είναι η έλξη ανάμεσα σε δύο αντικείμενα που έχουν μάζα ή ενέργεια, ανεξάρτητα από το αν αυτό παρατηρείται στην πτώση ενός βράχου από μια γέφυρα, ενός πλανήτη που περιστρέφεται γύρω από ένα αστέρι ή το φεγγάρι που προκαλεί παλίρροια των ωκεανών. Η βαρύτητα είναι ίσως η πιο έξυπνη και εξοικειωμένη με τις θεμελιώδεις δυνάμεις, αλλά είναι επίσης μία από τις πιο δύσκολες εξηγήσεις.
Ο Ισαάκ Νεύτωνας ήταν ο πρώτος που πρότεινε την ιδέα της βαρύτητας, υποτίθεται ότι εμπνεύστηκε από ένα μήλο που πέφτει από ένα δέντρο. Περιέγραψε τη βαρύτητα ως κυριολεκτική έλξη μεταξύ δύο αντικειμένων. Αιώνες αργότερα, ο Albert Einstein πρότεινε, μέσω της θεωρίας γενικής σχετικότητας, ότι η βαρύτητα δεν είναι έλξη ή δύναμη. Αντ 'αυτού, είναι μια συνέπεια αντικειμένων που κάμπτουν χωροχρόνο. Ένα μεγάλο αντικείμενο λειτουργεί στο διάστημα-λίγο όπως το πώς μια μεγάλη μπάλα τοποθετημένη στη μέση ενός φύλλου επηρεάζει αυτό το υλικό, παραμορφώνοντάς τον και προκαλώντας άλλα, μικρότερα αντικείμενα στο φύλλο να πέφτουν προς τη μέση.
Αν και η βαρύτητα κρατά μαζί τους πλανήτες, αστέρια, ηλιακά συστήματα και ακόμη και γαλαξίες, αποδεικνύεται ότι είναι η ασθενέστερη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, ειδικά στις μοριακές και ατομικές κλίμακες. Σκεφτείτε έτσι: Πόσο δύσκολο είναι να σηκώσετε μια μπάλα από το έδαφος; Ή να σηκώσετε το πόδι σας; Ή να πηδήσει; Όλες αυτές οι ενέργειες αντισταθμίζουν τη βαρύτητα ολόκληρης της Γης. Και στα μοριακά και ατομικά επίπεδα, η βαρύτητα δεν έχει σχεδόν καμία επίδραση σε σχέση με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις.
Η αδύναμη δύναμη
Η ασθενής δύναμη, που ονομάζεται επίσης αδύναμη πυρηνική αλληλεπίδραση, είναι υπεύθυνη για την αποσύνθεση σωματιδίων. Αυτή είναι η κυριολεκτική αλλαγή ενός τύπου υποατομικού σωματιδίου σε ένα άλλο. Έτσι, για παράδειγμα, ένα νετρίνο που απομακρύνεται κοντά σε ένα νετρόνιο μπορεί να μετατρέψει το νετρόνιο σε πρωτόνιο ενώ το νετρίνο γίνεται ηλεκτρόνιο.
Οι φυσικοί περιγράφουν αυτήν την αλληλεπίδραση μέσω της ανταλλαγής σωματιδίων που μεταφέρουν δύναμη που ονομάζονται μποζόνια. Ειδικά είδη μποζών είναι υπεύθυνα για την ασθενή δύναμη, την ηλεκτρομαγνητική δύναμη και την ισχυρή δύναμη. Στην ασθενική δύναμη, τα μποζόνια φορτίζονται σωματίδια που ονομάζονται W και Z bosons. Όταν τα υποατομικά σωματίδια όπως τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια έρχονται μέσα σε 10-18 μέτρα, ή 0,1% της διάμετρος ενός πρωτονίου, το ένα από το άλλο, μπορούν να ανταλλάξουν αυτά τα μποζόνια. Ως αποτέλεσμα, τα υποατομικά σωματίδια αποσυντίθενται σε νέα σωματίδια, σύμφωνα με την ιστοσελίδα της HyperPhysics της Γεωργίας του Πανεπιστημίου.
Η ασθενής δύναμη είναι κρίσιμη για τις αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης που τροφοδοτούν τον ήλιο και παράγουν την ενέργεια που απαιτείται για τις περισσότερες μορφές ζωής εδώ στη Γη. Είναι επίσης γιατί οι αρχαιολόγοι μπορούν να χρησιμοποιήσουν άνθρακα-14 μέχρι σήμερα αρχαία οστά, ξύλο και άλλα παλαιά αντικείμενα. Το Carbon-14 έχει έξι πρωτόνια και οκτώ νετρόνια. ένα από αυτά τα νετρόνια διασπάται σε ένα πρωτόνιο για να φτιάξει το άζωτο-14, το οποίο έχει επτά πρωτόνια και επτά νετρόνια. Αυτή η αποσύνθεση συμβαίνει με έναν προβλέψιμο ρυθμό, επιτρέποντας στους επιστήμονες να προσδιορίσουν πόσο παλιά είναι τέτοια αντικείμενα.
Ηλεκτρομαγνητική δύναμη
Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, που ονομάζεται επίσης δύναμη Lorentz, δρα μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων, όπως τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια. Οι αντίθετες χρεώσεις προσελκύουν το ένα το άλλο, ενώ οι χρεώσεις απωθούνται. Όσο μεγαλύτερη είναι η φόρτιση, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη. Και σαν τη βαρύτητα, αυτή η δύναμη μπορεί να γίνει αισθητή από άπειρη απόσταση (αν και η δύναμη θα ήταν πολύ, πολύ μικρή σε αυτή την απόσταση).
Όπως δείχνει το όνομά του, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη αποτελείται από δύο μέρη: την ηλεκτρική δύναμη και τη μαγνητική δύναμη. Αρχικά, οι φυσικοί χαρακτήριζαν τις δυνάμεις αυτές χωριστές μεταξύ τους, αλλά οι ερευνητές αργότερα συνειδητοποίησαν ότι οι δύο είναι συνιστώσες της ίδιας δύναμης.
Το ηλεκτρικό στοιχείο δρα μεταξύ των φορτισμένων σωματιδίων είτε κινούνται είτε ακινητοποιούν, δημιουργώντας ένα πεδίο με το οποίο τα φορτία μπορούν να επηρεάσουν το ένα το άλλο. Αλλά μόλις τεθούν σε κίνηση, αυτά τα φορτισμένα σωματίδια αρχίζουν να εμφανίζουν το δεύτερο συστατικό, τη μαγνητική δύναμη. Τα σωματίδια δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο γύρω τους καθώς κινούνται. Έτσι, όταν τα ηλεκτρόνια ζουμ μέσω ενός καλωδίου για να φορτίσετε τον υπολογιστή ή το τηλέφωνό σας ή να ενεργοποιήσετε την τηλεόρασή σας, για παράδειγμα, το καλώδιο γίνεται μαγνητικό.
Οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις μεταφέρονται μεταξύ των φορτισμένων σωματιδίων μέσω της ανταλλαγής βόθων που δεν φέρουν δύναμη, που φέρουν δύναμη και ονομάζονται φωτόνια, τα οποία είναι επίσης τα σωματίδια του φωτός. Τα φωτόνια που μεταφέρουν τη δύναμη μεταξύ των φορτισμένων σωματιδίων, ωστόσο, είναι μια διαφορετική εκδήλωση φωτονίων. Είναι εικονικές και μη ανιχνεύσιμες, παρόλο που είναι τεχνικά τα ίδια σωματίδια με την πραγματική και ανιχνεύσιμη εκδοχή, σύμφωνα με το Πανεπιστήμιο του Tennessee, Knoxville.
Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι υπεύθυνη για μερικά από τα πιο συχνά εμφανιζόμενα φαινόμενα: τριβή, ελαστικότητα, φυσιολογική δύναμη και δύναμη που συγκρατεί τα στερεά μαζί σε ένα δεδομένο σχήμα. Είναι ακόμα υπεύθυνη για την οπισθέλκουσα που πτηνών, αεροπλάνων και ακόμη και την πείρα Superman ενώ πετούν. Αυτές οι ενέργειες μπορεί να προκύψουν εξαιτίας των φορτισμένων (ή εξουδετερωμένων) σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Η φυσιολογική δύναμη που κρατά ένα βιβλίο πάνω από ένα τραπέζι (αντί της βαρύτητας που τραβά το βιβλίο στο έδαφος) είναι, για παράδειγμα, συνέπεια των ηλεκτρονίων στα άτομα του πίνακα που απωθούν τα ηλεκτρόνια στα άτομα του βιβλίου.
Η ισχυρή πυρηνική δύναμη
Η ισχυρή πυρηνική δύναμη, που ονομάζεται επίσης ισχυρή πυρηνική αλληλεπίδραση, είναι η ισχυρότερη από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης. Είναι 6 χιλιάδες τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια (δηλαδή 39 μηδέν μετά από 6!) Φορές ισχυρότερη από τη δύναμη της βαρύτητας, σύμφωνα με την ιστοσελίδα της HyperPhysics. Και αυτό συμβαίνει επειδή δεσμεύει τα θεμελιώδη σωματίδια της ύλης μαζί για να σχηματίσουν μεγαλύτερα σωματίδια. Συγκεντρώνει μαζί τα κουάρκ που παράγουν πρωτόνια και νετρόνια και μέρος της ισχυρής δύναμης διατηρεί μαζί τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα ενός ατόμου.
Όπως η αδύναμη δύναμη, η ισχυρή δύναμη λειτουργεί μόνο όταν τα υποατομικά σωματίδια είναι πολύ κοντά το ένα στο άλλο. Πρέπει να βρίσκονται κάπου σε απόσταση 10 ^ -15 μέτρων το ένα από το άλλο ή περίπου κατά τη διάμετρο ενός πρωτονίου, σύμφωνα με την ιστοσελίδα της HyperPhysics.
Η ισχυρή δύναμη είναι περίεργη, όμως, επειδή σε αντίθεση με οποιαδήποτε από τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, γίνεται ασθενέστερη καθώς τα υποατομικά σωματίδια κινούνται πλησιέστερα. Στην πραγματικότητα επιτυγχάνει μέγιστη αντοχή όταν τα σωματίδια είναι πιο απομακρυσμένα μεταξύ τους, σύμφωνα με τον Fermilab. Μόλις βρίσκονται εντός εμβέλειας, τα άσχημα φορτισμένα bosons που ονομάζονται gluons μεταδίδουν την ισχυρή δύναμη μεταξύ των κουάρκ και τα κρατούν "κολλημένα" μαζί. Ένα μικρό κλάσμα της ισχυρής δύναμης που ονομάζεται η υπολειμματική ισχυρή δύναμη δρα μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων. Τα πρωτόνια στον πυρήνα αποκλίνουν το ένα από το άλλο λόγω της παρόμοιας φόρτισης, αλλά η υπολειπόμενη ισχυρή δύναμη μπορεί να υπερνικήσει αυτή την απωλία, έτσι ώστε τα σωματίδια να παραμένουν συνδεδεμένα στον πυρήνα ενός ατόμου.
Ενοποίηση της φύσης
Το εκκρεμές ερώτημα των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων είναι αν είναι στην πραγματικότητα εκδηλώσεις μίας μόνο μεγάλης δύναμης του σύμπαντος. Εάν ναι, καθένας από αυτούς θα πρέπει να είναι σε θέση να συγχωνευθεί με τους άλλους και υπάρχουν ήδη αποδείξεις ότι μπορούν.
Οι φυσικοί Sheldon Glashow και Steven Weinberg από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ με τον Abdus Salam από το Imperial College London κέρδισαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1979 για την ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης με την αδύναμη δύναμη για να διαμορφώσουν την έννοια της δύναμης ηλεκτροσόκ. Οι φυσικοί που εργάζονται για να βρουν μια αποκαλούμενη μεγάλη ενοποιημένη θεωρία έχουν ως στόχο να ενώσουν την ηλεκτροσόκκινη δύναμη με την ισχυρή δύναμη να ορίσουν μια πυρηνική δύναμη, την οποία πρότυπα έχουν προβλέψει, αλλά οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη παρατηρήσει. Το τελευταίο κομμάτι του παζλ θα απαιτούσε τότε την ενοποίηση της βαρύτητας με την πυρηνική δύναμη για να αναπτύξει τη λεγόμενη θεωρία των πάντων, ένα θεωρητικό πλαίσιο που θα μπορούσε να εξηγήσει ολόκληρο το σύμπαν.
Οι φυσικοί, ωστόσο, έχουν βρει πολύ δύσκολο να συγχωνεύσουν τον μικροσκοπικό κόσμο με τον μακροσκοπικό. Σε μεγάλες και ιδιαίτερα αστρονομικές κλίμακες, η βαρύτητα κυριαρχεί και περιγράφεται καλύτερα από τη θεωρία γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αλλά σε μοριακές, ατομικές ή υποατομικές κλίμακες, η κβαντομηχανική περιγράφει καλύτερα τον φυσικό κόσμο. Και μέχρι στιγμής, κανείς δεν έχει βρει έναν καλό δρόμο για να συγχωνεύσει αυτούς τους δύο κόσμους.
Οι φυσικοί που μελετούν την κβαντική βαρύτητα στοχεύουν να περιγράψουν τη δύναμη από την άποψη του κβαντικού κόσμου, που θα μπορούσε να βοηθήσει στην συγχώνευση. Θεμελιώδους σημασίας για αυτή την προσέγγιση θα ήταν η ανακάλυψη των βαρυτονίων, η θεωρητική δύναμη που μεταφέρει το βόζον της βαρυτικής δύναμης. Η βαρύτητα είναι η μόνη θεμελιώδης δύναμη που μπορούν σήμερα να περιγράψουν οι φυσικοί χωρίς να χρησιμοποιούν σωματίδια που μεταφέρουν δύναμη. Αλλά επειδή οι περιγραφές όλων των άλλων θεμελιωδών δυνάμεων απαιτούν σωματίδια που μεταφέρουν δύναμη, οι επιστήμονες αναμένουν ότι τα βαρύτονα πρέπει να υπάρχουν στο υποατομικό επίπεδο - οι ερευνητές δεν έχουν βρει αυτά τα σωματίδια ακόμα.
Περαιτέρω περίπλοκη είναι η αόρατη σφαίρα της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας, που αποτελούν περίπου το 95% του σύμπαντος. Δεν είναι σαφές εάν η σκοτεινή ύλη και η ενέργεια αποτελούνται από ένα μοναδικό σωματίδιο ή ένα ολόκληρο σύνολο σωματιδίων που έχουν τις δυνάμεις τους και τους μποζόνες των αγγελιοφόρων.
Το πρωτεύον αγγελιοφόρο είναι το θεωρητικό σκοτεινό φωτόνιο, το οποίο θα μεσολαβήσει στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του ορατού και του αόρατου σύμπαντος. Αν υπάρχουν σκούρα φωτόνια, θα είναι το κλειδί για την ανίχνευση του αόρατου κόσμου της σκοτεινής ύλης και θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανακάλυψη μιας πέμπτης θεμελιώδους δύναμης. Μέχρι στιγμής, όμως, δεν υπάρχουν αποδείξεις ότι υπάρχουν σκούρα φωτόνια και κάποια έρευνα έχει προσφέρει ισχυρές ενδείξεις ότι αυτά τα σωματίδια δεν υπάρχουν.
