Nuo pasivaikščiojimo gatvėje, raketos paleidimo į kosmosą iki magneto priklijavimo prie šaldytuvo, fizinės jėgos veikia mus visus. Bet visas jėgas, kurias patiriame kiekvieną dieną (ir daugybę, kurių mes net nesuvokiame, kad patiriame kiekvieną dieną), galima sutalpinti iki keturių pagrindinių jėgų:
- Gravitacija.
- Silpna jėga.
- Elektromagnetizmas.
- Stipri jėga.
Jie vadinami keturiomis pagrindinėmis gamtos jėgomis ir valdo viską, kas vyksta visatoje.
Gravitacija
Gravitacija yra traukos taškas tarp dviejų objektų, turinčių masę ar energiją, nesvarbu, ar tai matoma nukritus uolai nuo tilto, planetos, esančios aplink žvaigždę, ar mėnulio, sukeliančio vandenyno atoslūgį. Gravitacija yra turbūt labiausiai intuityvi ir pažįstama iš pagrindinių jėgų, tačiau ją paaiškinti taip pat buvo viena sunkiausių.
Isaacas Newtonas pirmasis pasiūlė gravitacijos idėją, kurią tariamai įkvėpė iš medžio nukritęs obuolys. Jis apibūdino gravitaciją kaip pažodinį trauką tarp dviejų objektų. Šimtmečiais vėliau Albertas Einšteinas per savo bendrojo reliatyvumo teoriją pasiūlė, kad gravitacija nėra traukos ar jėgos jėga. Tai vietoj to, kad objektai lenkia erdvės laiką. Didelis objektas erdvės metu veikia panašiai, kaip didelis rutulys, įdėtas į lapo vidurį, paveikia tą medžiagą, ją deformuodamas ir priversdamas kitus, mažesnius lapo objektus nukristi vidurio link.
Nors gravitacija kartu laiko planetas, žvaigždes, saulės sistemas ir net galaktikas, ji pasirodo esanti silpniausia iš pagrindinių jėgų, ypač molekulinėje ir atominėje masteliuose. Pagalvokite apie tai taip: kaip sunku pakelti kamuolį nuo žemės? Arba pakelti koją? Arba šokinėti? Visi šie veiksmai neutralizuoja visos Žemės sunkumą. Ir molekuliniu, ir atominiu lygmeniu gravitacija beveik neturi jokios įtakos kitų pagrindinių jėgų atžvilgiu.
Silpna jėga
Silpna jėga, dar vadinama silpna branduolio sąveika, lemia dalelių irimą. Tai yra pažodinis vienos rūšies subatominių dalelių pakeitimas kita. Taigi, pavyzdžiui, neutrinas, besislapstantis arti neutrono, gali paversti neutroną protonu, o neutrinas tampa elektronu.
Fizikai apibūdina šią sąveiką keičiantis jėgą nešančiomis dalelėmis, vadinamomis bozonomis. Tam tikros rūšies bozonai yra atsakingi už silpną jėgą, elektromagnetinę jėgą ir stiprią jėgą. Esant silpnai jėgai, bozonai yra įkrautos dalelės, vadinamos W ir Z bozonais. Kai subatominės dalelės, tokios kaip protonai, neutronai ir elektronai, nutolusios viena nuo kitos 10 m – 18 metrų atstumu arba sudaro 0,1% protono skersmens, jos gali keistis šiais bosonais. Kaip teigiama Džordžijos valstijos universiteto tinklalapyje „HyperPhysics“, subatominės dalelės skyla į naujas daleles.
Silpna jėga yra kritinė branduolių sintezės reakcijoms, kurios maitina saulę ir gamina energiją, reikalingą daugumai gyvybės formų čia, Žemėje. Tai taip pat kodėl archeologai gali naudoti anglį-14 iki šiol buvusius senovės kaulus, medieną ir kitus anksčiau gyvus artefaktus. Anglies-14 turi šešis protonus ir aštuonis neutronus; vienas iš šių neutronų suyra į protoną, kad būtų azotas-14, kuris turi septynis protonus ir septynis neutronus. Šis irimas vyksta numatomu greičiu, leidžiant mokslininkams nustatyti, kokie seni yra tokie artefaktai.
Elektromagnetinė jėga
Elektromagnetinė jėga, dar vadinama Lorenco jėga, veikia tarp įkrautų dalelių, tokių kaip neigiamai įkrauti elektronai ir teigiamai įkrauti protonai. Priešingi kaltinimai traukia vienas kitą, o panašūs kaltinimai atstumia. Kuo didesnis krūvis, tuo didesnė jėga. Panašiai kaip gravitacija, šią jėgą galima pajusti iš begalinio atstumo (nors jėga tokiu atstumu būtų labai, labai maža).
Kaip rodo jo pavadinimas, elektromagnetinę jėgą sudaro dvi dalys: elektrinė jėga ir magnetinė jėga. Iš pradžių fizikai šias jėgas apibūdino kaip atskiras viena nuo kitos, tačiau vėliau tyrėjai suprato, kad abi jos yra tos pačios jėgos komponentai.
Elektrinis komponentas veikia tarp įkrautų dalelių, nesvarbu, ar jos juda, ar nejuda, sukurdamas lauką, kuriame krūviai gali paveikti vienas kitą. Tačiau pradėjus judėti, šios įkrautos dalelės pradeda rodyti antrąjį komponentą - magnetinę jėgą. Dalelės sukuria magnetinį lauką aplink jas, kai juda. Pavyzdžiui, kai elektronai priartėja per laidą, kad įkrautų kompiuterį ar telefoną ar įjungtų televizorių, pavyzdžiui, laidas tampa magnetinis.
Elektromagnetinės jėgos perduodamos tarp įkrautų dalelių keičiantis nesusijusiems, jėgos nešantiems bosonams, vadinamiems fotonais, kurie taip pat yra šviesos dalelės. Jėgos nešantys fotonai, kurie keičiasi tarp įkrautų dalelių, yra skirtinga fotonų apraiška. Tenesio universiteto (Noksvilis) duomenimis, jos yra virtualios ir neaptinkamos, nors techniškai yra tokios pačios dalelės kaip tikroji ir aptinkama versija.
Elektromagnetinė jėga yra atsakinga už kai kuriuos dažniausiai patiriamus reiškinius: trintį, elastingumą, normalią jėgą ir kietą jėgą, laikančią tam tikros formos pavidalą. Tai netgi atsakinga už paukščių, lėktuvų ir netgi Supermeno tempimą skraidant. Šie veiksmai gali įvykti dėl įkrautų (arba neutralizuotų) dalelių sąveikos viena su kita. Pvz., Normali jėga, palaikanti knygą ant stalo (užuot sunkio jėga traukianti knygą į žemę), yra lentelės atomų elektronų atstūmimo elektronai knygos atomuose.
Stipri branduolinė jėga
Stipri branduolinė jėga, dar vadinama stipria branduoline sąveika, yra stipriausia iš keturių pagrindinių gamtos jėgų. Kaip praneša „HyperPhysics“ svetainė, tai 6000 trilijonų trilijonų (tai yra 39 nuliai po 6!) Kartus stipresnė nei gravitacijos jėga. Ir taip yra todėl, kad jis suriša pagrindines materijos daleles, sudarydamas didesnes daleles. Jis kartu laiko kvarkus, kurie sudaro protonus ir neutronus, o stipriosios jėgos dalis kartu laiko ir atomo branduolio protonus ir neutronus.
Panašiai kaip silpnoji jėga, stiprioji jėga veikia tik tada, kai subatominės dalelės yra labai arti viena kitos. Kaip praneša „HyperPhysics“ svetainė, jie turi būti 10–15 metrų atstumu vienas nuo kito arba maždaug protono skersmens.
Vis dėlto stipri jėga yra keista, nes skirtingai nei bet kuri kita pamatinė jėga, ji silpnėja, nes subatominės dalelės juda arčiau viena kitos. Anot Fermilab, dalelės iš tikrųjų pasiekia maksimalų stiprumą, kai dalelės yra atokiausiai viena nuo kitos. Patekę į diapazoną, be masės įkrauti bosonai, vadinami gliūnais, perduoda stiprią jėgą tarp kvarkų ir palaiko juos „priklijuotus“. Nedidelė stipriosios jėgos dalis, vadinama likutine stipriąja jėga, veikia tarp protonų ir neutronų. Branduolyje esantys protonai atstumia vienas kitą dėl panašaus krūvio, tačiau likusi stipri jėga gali įveikti šią atbaidymą, todėl dalelės lieka surištos atomo branduolyje.
Suvienijanti gamta
Neišspręstas keturių pagrindinių jėgų klausimas yra, ar jos iš tikrųjų reiškia tik vieną didelę visatos jėgą. Jei taip, kiekvienas iš jų turėtų sugebėti susijungti su kitais, ir jau yra įrodymų, kad jie gali.
Fizikai Sheldonas Glashowas ir Stevenas Weinbergas iš Harvardo universiteto su Abdu Salamu iš Londono imperatoriškojo koledžo 1979 m. Laimėjo Nobelio fizikos premiją už elektromagnetinės jėgos suvienijimą su silpna jėga, kad būtų suformuota elektrinio silpnėjimo jėgos samprata. Fizikai, dirbantys siekdami rasti vadinamąją didžiulę vieningą teoriją, siekia suvienyti elektros srovės stiprio jėgą su stipria jėga, kad būtų apibrėžta elektronuklearinė jėga, kurią modeliai numatė, tačiau tyrėjai dar nepastebėjo. Tuomet galutiniam galvosūkio kūriniui prireiks suvienyti gravitaciją su elektronine branduoline jėga, kad būtų sukurta vadinamoji visko teorija, teorinė sistema, galinti paaiškinti visą visatą.
Tačiau fizikams buvo gana sunku sujungti mikroskopinį pasaulį su makroskopiniu. Didelėse ir ypač astronominėse skalėse vyrauja gravitacija, kurią geriausiai apibūdina Einsteino bendrojo reliatyvumo teorija. Bet molekuline, atomine ar subatomine skalėmis kvantinė mechanika geriausiai apibūdina gamtos pasaulį. Ir iki šiol dar niekas nesugalvojo tinkamo būdo sujungti tuos du pasaulius.
Fizikai, tiriantys kvantinę gravitaciją, siekia apibūdinti jėgą kvantinio pasaulio prasme, kuri galėtų padėti susijungiant. Pagrindinis šio požiūrio principas būtų gravitonų, gravitacinės jėgos teorinio jėgos nešančio bosono, atradimas. Gravitacija yra vienintelė pagrindinė jėga, kurią fizikai šiuo metu gali apibūdinti nenaudodami jėgą nešančių dalelių. Kadangi visų kitų pagrindinių jėgų aprašymui reikalingos jėgą nešančios dalelės, mokslininkai tikisi, kad gravitonai turi egzistuoti subatominiame lygmenyje - tyrėjai tiesiog dar nerado šių dalelių.
Dar labiau apsunkina istoriją nematoma tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos sritis, kuri sudaro maždaug 95% visatos. Neaišku, ar tamsiąją medžiagą ir energiją sudaro viena dalelė ar visas dalelių rinkinys, turinčios savo jėgą ir pasiuntinių bosus.
Pagrindinė dabartinio susidomėjimo dalelė yra teorinis tamsusis fotonas, kuris tarpininkautų matomos ir nematomos visatos sąveikoms. Jei egzistuotų tamsūs fotonai, jie būtų raktas į nematomo tamsiosios medžiagos pasaulio aptikimą ir galėtų sukelti penktosios pagrindinės jėgos atradimą. Tačiau iki šiol nėra įrodymų, kad tamsūs fotonai egzistuoja, o kai kurie tyrimai pateikė svarių įrodymų, kad šių dalelių nėra.
