Od šetnje ulicom, do lansiranja rakete u svemir, do stavljanja magneta u vaš hladnjak, fizičke sile djeluju svuda oko nas. Ali sve sile koje svakodnevno doživljavamo (a mnoge koje ne znamo da svakodnevno doživljavamo) mogu se spustiti na samo četiri temeljne sile:
- Gravitacija.
- Slaba sila.
- Elektromagnetizam.
- Snažna sila.
Oni se nazivaju četiri temeljne sile prirode i one upravljaju svime što se događa u svemiru.
Gravitacija
Gravitacija je privlačnost između dva objekta koji imaju masu ili energiju, bilo da je to vidljivo u spuštanju stijene s mosta, planeta u orbiti oko zvijezde ili mjeseca što uzrokuje plimu plime. Gravitacija je vjerojatno najintimitivnija i najpoznatija od temeljnih sila, ali bila je i jedna od najzahtjevnijih za objasniti.
Isaac Newton bio je prvi koji je predložio ideju gravitacije, koju je navodno inspirirala jabuka koja pada sa stabla. Gravitaciju je opisao kao doslovnu privlačnost između dva objekta. Stoljećima kasnije, Albert Einstein je kroz svoju teoriju opće relativnosti sugerirao da gravitacija nije privlačnost ili sila. Umjesto toga, to je posljedica savijanja objekata prostor-vrijeme. Veliki objekt djeluje na prostor-vrijeme pomalo kao što velika kuglica postavljena u sredinu lista utječe na taj materijal, deformirajući ga i uzrokujući da drugi, manji predmeti na listu padaju prema sredini.
Iako gravitacija drži planete, zvijezde, solarni sustav, pa čak i galaksije zajedno, ispada da je najslabija od osnovnih sila, posebno na molekularnoj i atomskoj ljestvici. Razmislite na ovaj način: Koliko je teško podići loptu s tla? Ili da dignete stopalo? Ili za skok? Sve ove radnje suzbijaju gravitaciju cijele Zemlje. A na molekularnoj i atomskoj razini gravitacija gotovo da i nema učinka u odnosu na ostale temeljne sile.
Slaba sila
Slaba sila, koja se naziva i slaba nuklearna interakcija, odgovorna je za raspad čestica. Ovo je doslovna promjena jedne vrste subatomske čestice u drugu. Tako, na primjer, neutrino koji zaluta blizu neutrona može pretvoriti neutron u proton, dok neutrino postane elektron.
Fizičari opisuju ovu interakciju razmjenom čestica koje nose silu zvane bozoni. Specifične vrste bozona odgovorne su za slabu silu, elektromagnetsku silu i jaku silu. U slaboj sili, bozoni su nabijene čestice zvane W i Z bozoni. Kada subatomske čestice, poput protona, neutrona i elektrona, nađu se unutar 10 ^ -18 metara, ili 0,1% promjera protona, jedna od druge, mogu razmjenjivati ove bozone. Kao rezultat toga, subatomske čestice propadaju u nove čestice, navodi se na web stranici HyperPhysics s University State Georgia.
Slaba sila je kritična za reakcije nuklearne fuzije koje napajaju sunce i proizvode energiju potrebnu za većinu životnih oblika ovdje na Zemlji. To je i razlog zašto arheolozi mogu upotrebljavati ugljik-14 za datiranje drevnih kostiju, drveta i drugih nekada živih artefakata. Ugljik-14 ima šest protona i osam neutrona; jedan od tih neutrona se raspada u proton da bi se stvorio dušik-14, koji ima sedam protona i sedam neutrona. To propadanje događa se predvidivom brzinom, što znanstvenicima omogućuje utvrđivanje koliko su stari takvi artefakti.
Elektromagnetska sila
Elektromagnetska sila, koja se naziva i Lorentzova sila, djeluje između nabijenih čestica, poput negativno nabijenih elektrona i pozitivno nabijenih protona. Suprotni naboji privlače jedni druge, dok se poput naboja odbijaju. Što je veći naboj, veća je i sila. I slično kao gravitacija, ova se sila može osjetiti s beskonačne udaljenosti (iako bi sila bila jako, vrlo mala na toj udaljenosti).
Kao što mu ime govori, elektromagnetska sila sastoji se od dva dijela: električne sile i magnetske sile. U početku su fizičari opisali ove sile kao odvojene jedna od druge, ali su istraživači kasnije shvatili da su dvije komponente iste sile.
Električna komponenta djeluje između nabijenih čestica, bilo da se kreću ili nepomično, stvara polje pomoću kojeg naboji mogu utjecati jedni na druge. Ali kad se jednom pokrenu, te napunjene čestice počinju pokazivati drugu komponentu, magnetsku silu. Čestice stvaraju magnetsko polje oko sebe dok se kreću. Na primjer, kad elektroni zumiraju žicom kako bi napunili računalo ili telefon ili uključili televizor, žica postaje magnetska.
Elektromagnetske sile prenose se između nabijenih čestica razmjenom bezmasnih, nosivih sila koji se nazivaju fotoni, koji su ujedno i dijelovi svjetlosti čestica. Fotoni koji nose silu i koji se izmjenjuju između nabijenih čestica, međutim, različita su manifestacija fotona. Oni su virtualni i neodredivi, iako su tehnički iste čestice kao stvarna i otkriva verzija, prema Sveučilištu Tennessee u Knoxvilleu.
Elektromagnetska sila odgovorna je za neke od najčešće iskusnih pojava: trenje, elastičnost, normalnu silu i silu koja u čvrstom obliku drži čvrste tvari u datom obliku. Čak je odgovoran za vuču koju ptice, avioni, pa čak i Superman doživljavaju dok lete. Ove se akcije mogu dogoditi zbog nabijenih (ili neutraliziranih) čestica koje djeluju jedna s drugom. Na primjer, normalna sila koja drži knjigu iznad stola (umjesto da gravitacija vuče knjigu na zemlju), na primjer, posljedica je da elektroni u atomima tablice odbijaju elektrone u atomima knjige.
Jaka nuklearna sila
Snažna nuklearna sila, koja se naziva i snažna nuklearna interakcija, najjača je od četiri temeljne sile prirode. To je 6 tisuća bilijuna biliona (to je 39 nula nakon 6!) Puta jače od sile gravitacije, navodi se na web stranici HyperPhysics. I to zato što povezuje temeljne čestice materije zajedno da formiraju veće čestice. U njemu se nalaze kvarkovi koji čine protone i neutrone, a dio jake sile također drži protone i neutrone jezgre atoma.
Kao i slaba sila, jaka sila djeluje samo kad su subatomske čestice izuzetno blizu jedna drugoj. Moraju biti negdje na udaljenosti od 10 do 15 metara, ili otprilike unutar promjera protona, prema web stranici HyperPhysics.
Snažna sila je neobična, jer za razliku od bilo koje druge osnovne sile, ona postaje slabija kako se subatomske čestice približavaju jedna drugoj. Ona zapravo doseže maksimalnu snagu kada su čestice najudaljenije jedna od druge, prema Fermilabu. Jednom u dometu, bezmasno nabijeni bozoni zvani gluoni prenose jaku silu između kvarkova i drže ih "zalijepljenima". Mali dio jake sile zvane preostala jaka sila djeluje između protona i neutrona. Protoni u jezgri odbijaju jedan drugoga zbog sličnog naboja, ali preostala jaka sila može prevladati to odbijanje, pa čestice ostaju vezane u jezgri atoma.
Ujedinjujuća priroda
Pitanje četiri temeljne sile je otvoreno pitanje jesu li oni zapravo manifestacije samo jedne velike sile svemira. Ako je tako, svaki od njih trebao bi se moći spojiti s ostalima, a već postoje dokazi da mogu.
Fizičari Sheldon Glashow i Steven Weinberg sa Sveučilišta Harvard zajedno s Abdusom Salamom s Imperial College London osvojili su Nobelovu nagradu za fiziku 1979. godine za objedinjavanje elektromagnetske sile sa slabom silom kako bi tvorio koncept elektro slabe sile. Fizičari koji rade na pronalaženju takozvane velike objedinjene teorije imaju za cilj ujediniti elektro-jaku silu s jakom silom za definiranje elektronuklearne sile, što su modeli predviđali, ali istraživači to još nisu primijetili. Završni će dio zagonetke zahtijevati objedinjavanje gravitacije s elektronuklearnom silom kako bi se razvila takozvana teorija svega, teorijski okvir koji bi mogao objasniti cijeli svemir.
Međutim, fizičarima je bilo prilično teško spojiti mikroskopski svijet s makroskopskim. Na velikim i posebno astronomskim mjerilima gravitacija dominira i najbolje je opisana Einsteinovom teorijom opće relativnosti. Ali na molekularnoj, atomskoj ili subatomskoj ljestvici, kvantna mehanika najbolje opisuje prirodni svijet. I do sada, nitko nije smislio dobar način spajanja ta dva svijeta.
Fizičari koji proučavaju kvantnu gravitaciju imaju za cilj opisati silu u kvantnom svijetu, što bi moglo pomoći pri spajanju. Temeljno za taj pristup bilo bi otkriće gravitona, teorijskog bozona gravitacijske sile za nošenje sile. Gravitacija je jedina temeljna sila koju fizičari trenutno mogu opisati bez korištenja čestica koje nose silu. Ali budući da opisi svih ostalih osnovnih sila zahtijevaju čestice koje nose silu, znanstvenici očekuju da gravitoni moraju postojati na subatomskoj razini - istraživači jednostavno još nisu pronašli te čestice.
Daljnja komplikacija priče je nevidljivo područje tamne materije i tamne energije, koje čine oko 95% svemira. Nije jasno da li se tamna tvar i energija sastoje od jedne čestice ili čitavog niza čestica koje imaju svoje snage i glasnike.
Primarna glasnica čestica koje trenutno zanima je teorijski tamni foton koji bi posredovao interakcije između vidljivog i nevidljivog svemira. Ako postoje tamni fotoni, oni bi bili ključ za otkrivanje nevidljivog svijeta tamne materije i mogli bi dovesti do otkrića pete fundamentalne sile. Za sada, međutim, nema dokaza da postoje tamni fotoni, a neka su istraživanja ponudila snažne dokaze da te čestice ne postoje.
