Οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις ενεργούν πάνω μας κάθε μέρα, είτε το συνειδητοποιούμε είτε όχι. Από το μπάσκετ, μέχρι εκτόξευση ενός πυραύλου στο διάστημα, για να κολλήσετε έναν μαγνήτη στο ψυγείο σας – όλες οι δυνάμεις που βιώνουμε όλοι μας καθημερινά μπορούν να περιοριστούν σε ένα κρίσιμο κουαρτέτο: η βαρύτητα, η ασθενής δύναμη, ο ηλεκτρομαγνητισμός και η ισχυρή δύναμη. Αυτές οι δυνάμεις κυβερνούν όλα όσα συμβαίνουν στο σύμπαν.
Βαρύτητα
Βαρύτητα είναι η έλξη μεταξύ δύο αντικειμένων που έχουν μάζα ή ενέργεια, είτε αυτό φαίνεται με την πτώση ενός βράχου από μια γέφυρα, έναν πλανήτη σε τροχιά γύρω από ένα αστέρι ή το φεγγάρι που προκαλεί παλίρροιες των ωκεανών. Η βαρύτητα είναι ίσως η πιο διαισθητική και οικεία από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, αλλά ήταν επίσης μια από τις πιο δύσκολες εξηγήσεις.
Ο Ισαάκ Νεύτων ήταν ο πρώτος που πρότεινε την ιδέα της βαρύτητας, υποτίθεται ότι εμπνεύστηκε από ένα μήλο που πέφτει από ένα δέντρο. Περιέγραψε τη βαρύτητα ως μια κυριολεκτική έλξη μεταξύ δύο αντικειμένων. Αιώνες μετά, Albert Einstein πρότεινε, μέσω του θεωρία της γενικής σχετικότητας, ότι η βαρύτητα δεν είναι έλξη ή δύναμη. Αντίθετα, είναι συνέπεια της κάμψης των αντικειμένων στον χωροχρόνο. Ένα μεγάλο αντικείμενο λειτουργεί στον χωροχρόνο λίγο σαν το πώς μια μεγάλη μπάλα που τοποθετείται στη μέση ενός φύλλου επηρεάζει αυτό το υλικό, παραμορφώνοντάς το και αναγκάζοντας άλλα, μικρότερα αντικείμενα στο φύλλο να πέφτουν προς τη μέση.
Αν και η βαρύτητα κρατά πλανήτες, αστέρια, ηλιακά συστήματα και ακόμη γαλαξίες μαζί, αποδεικνύεται ότι είναι η πιο αδύναμη από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, ειδικά στη μοριακή και ατομική κλίμακα. Σκεφτείτε το ως εξής: Πόσο δύσκολο είναι να σηκώσετε μια μπάλα από το έδαφος; Ή να σηκώσεις το πόδι σου; Ή να πηδήξω; Όλες αυτές οι ενέργειες εξουδετερώνουν τη βαρύτητα ολόκληρης της Γης. Και σε μοριακό και ατομικό επίπεδο, η βαρύτητα δεν έχει σχεδόν καμία επίδραση σε σχέση με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις.
Σχετίζεται με: Υπάρχει ένα τεράστιο μυστήριο που κρύβεται μέσα σε κάθε άτομο στο σύμπαν
Η αδύναμη δύναμη
Η ασθενής δύναμη, που ονομάζεται επίσης ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση, είναι υπεύθυνη για τη διάσπαση των σωματιδίων. Αυτή είναι η κυριολεκτική αλλαγή ενός τύπου υποατομικού σωματιδίου σε άλλο. Έτσι, για παράδειγμα, α neutrino ότι πλανάται κοντά σε ένα νετρόνιο μπορεί να μετατρέψει το νετρόνιο σε πρωτόνιο ενώ το νετρίνο γίνεται ηλεκτρόνιο.
Οι φυσικοί περιγράφουν αυτή την αλληλεπίδραση μέσω της ανταλλαγής σωματιδίων που φέρουν δύναμη που ονομάζονται μποζόνια. Συγκεκριμένα είδη μποζονίων είναι υπεύθυνα για την ασθενή δύναμη, την ηλεκτρομαγνητική δύναμη και την ισχυρή δύναμη. Στην ασθενή δύναμη, τα μποζόνια είναι φορτισμένα σωματίδια που ονομάζονται μποζόνια W και Z. Όταν τα υποατομικά σωματίδια όπως τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα ηλεκτρόνια έρχονται σε απόσταση 10^-18 μέτρων, ή 0,1% της διαμέτρου ενός πρωτονίου, μεταξύ τους, μπορούν να ανταλλάξουν αυτά τα μποζόνια. Ως αποτέλεσμα, τα υποατομικά σωματίδια διασπώνται σε νέα σωματίδια, σύμφωνα με Ιστότοπος HyperPhysics του Georgia State University.
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. Αυτός είναι επίσης ο λόγος που οι αρχαιολόγοι μπορούν να χρησιμοποιήσουν άνθρακα-14 για να χρονολογήσουν αρχαία οστά, ξύλο και άλλα προηγούμενα ζωντανά αντικείμενα. Ο άνθρακας-14 έχει έξι πρωτόνια και οκτώ νετρόνια. ένα από αυτά τα νετρόνια διασπάται σε πρωτόνιο για να δημιουργήσει άζωτο-14, το οποίο έχει επτά πρωτόνια και επτά νετρόνια. Αυτή η αποσύνθεση συμβαίνει με 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 αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και θετικά φορτισμένα πρωτόνια. Τα αντίθετα φορτία έλκονται το ένα το άλλο, ενώ τα όμοια φορτία απωθούν. Όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη. Και όπως και η 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 υποδηλώνει το όνομά της, η ηλεκτρομαγνητική δύναμη αποτελείται από δύο μέρη: την ηλεκτρική δύναμη και την μαγνητική δύναμη. Αρχικά, οι φυσικοί περιέγραψαν αυτές τις δυνάμεις ως ξεχωριστές η μία από την άλλη, αλλά οι ερευνητές αργότερα συνειδητοποίησαν ότι και οι δύο είναι συστατικά της ίδιας δύναμης.
Το ηλεκτρικό συστατικό δρα μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων είτε κινούνται είτε είναι ακίνητα, 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 μεγεθύνουν μέσω ενός καλωδίου για να φορτίσουν τον υπολογιστή ή το τηλέφωνό σας ή να ενεργοποιήσουν την τηλεόρασή σας, για παράδειγμα, το καλώδιο γίνεται μαγνητικό.
Σχετίζεται με: Πέφτει ο Ήλιος μας σε χειμερία νάρκη;
Οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις μεταφέρονται μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων μέσω της ανταλλαγής μποζονίων χωρίς μάζα και δύναμης που ονομάζονται φωτόνια, τα οποία είναι επίσης τα σωματιδιακά συστατικά του φωτός. Ωστόσο, τα φωτόνια που μεταφέρουν δύναμη που εναλλάσσονται μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων είναι μια διαφορετική εκδήλωση φωτονίων. Είναι εικονικά και μη ανιχνεύσιμα, παρόλο που είναι τεχνικά τα ίδια σωματίδια με την πραγματική και ανιχνεύσιμη έκδοση, σύμφωνα με την Πανεπιστήμιο του Τενεσί, Νόξβιλ.
Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι υπεύθυνη για μερικά από τα πιο συνηθισμένα φαινόμενα: την τριβή, την ελαστικότητα, την κανονική δύναμη και τη δύναμη που συγκρατεί τα στερεά μαζί σε ένα δεδομένο σχήμα. Ευθύνεται ακόμη και για την έλξη που βιώνουν τα πουλιά, τα αεροπλάνα, ακόμη και ο Σούπερμαν κατά την πτήση. Αυτές οι ενέργειες μπορεί να συμβούν λόγω φορτισμένων (ή εξουδετερωμένων) σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Η κανονική δύναμη που κρατά ένα βιβλίο πάνω από ένα τραπέζι (αντί η βαρύτητα να τραβάει το βιβλίο στο έδαφος), για παράδειγμα, είναι 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 μηδενικά μετά από 6!) φορές ισχυρότερο από τη δύναμη της βαρύτητας, σύμφωνα με τον ιστότοπο HyperPhysics. Και αυτό γιατί δεσμεύει τα θεμελιώδη σωματίδια του ύλη μαζί για να σχηματίσουν μεγαλύτερα σωματίδια. Συγκρατεί τα κουάρκ που αποτελούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια και μέρος της ισχυρής δύναμης κρατά επίσης τα πρωτόνια και τα νετρόνια του πυρήνα ενός ατόμου μαζί.
Όπως και η ασθενής δύναμη, η ισχυρή δύναμη λειτουργεί μόνο όταν τα υποατομικά σωματίδια είναι εξαιρετικά κοντά το ένα στο άλλο. Πρέπει να βρίσκονται κάπου σε απόσταση 10^-15 μέτρων το ένα από το άλλο, ή περίπου στη διάμετρο ενός πρωτονίου.
Η ισχυρή δύναμη είναι περίεργη, ωστόσο, επειδή σε αντίθεση με οποιαδήποτε από τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, γίνεται πιο αδύναμη καθώς τα υποατομικά σωματίδια πλησιάζουν μεταξύ τους. Στην πραγματικότητα φθάνει στη μέγιστη ισχύ όταν τα σωματίδια είναι πιο μακριά το ένα από το άλλο, σύμφωνα με Fermilab. Μόλις βρίσκονται εντός της εμβέλειας, τα φορτισμένα μποζόνια χωρίς μάζα που ονομάζονται γκλουόνια μεταδίδουν την ισχυρή δύναμη μεταξύ των κουάρκ και τα κρατούν «κολλημένα» μεταξύ τους. Ένα μικρό κλάσμα της ισχυρής δύναμης που ονομάζεται υπολειπόμενη ισχυρή δύναμη δρα μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων. Τα πρωτόνια στον πυρήνα απωθούν το ένα το άλλο λόγω του παρόμοιου φορτίου τους, αλλά η υπολειπόμενη ισχυρή δύναμη μπορεί να υπερνικήσει αυτήν την απώθηση, έτσι τα σωματίδια παραμένουν συνδεδεμένα σε ένα πυρήνας του ατόμου.
Σχετίζεται με: Η NASA, το DOE χρηματοδοτούν τρεις ιδέες πυρηνικής θερμικής πρόωσης στο διάστημα
Ενωτική φύση
Το εκκρεμές ερώτημα των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων είναι αν είναι στην πραγματικότητα εκδηλώσεις μιας μόνο μεγάλης δύναμης του σύμπαντος. Αν ναι, καθένας από αυτούς θα πρέπει να μπορεί 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 του Λονδίνου κέρδισαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1979 για την ενοποίηση της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης με την ασθενή δύναμη για να σχηματιστεί η έννοια του ηλεκτροασθενής δύναμη. Οι φυσικοί που εργάζονται για να βρουν μια λεγόμενη μεγάλη ενοποιημένη θεωρία στοχεύουν να ενώσουν την ηλεκτροαδύναμη δύναμη με την ισχυρή δύναμη για να ορίσουν μια ηλεκτροπυρηνική δύναμη, την οποία τα μοντέλα έχουν προβλέψει αλλά οι ερευνητές δεν έχουν ακόμη παρατηρήσει. Το τελευταίο κομμάτι του παζλ θα απαιτούσε στη συνέχεια την ενοποίηση της βαρύτητας με την ηλεκτροπυρηνική δύναμη για την ανάπτυξη του λεγόμενου θεωρία των πάντων, ένα θεωρητικό πλαίσιο που θα μπορούσε να εξηγήσει ολόκληρο το σύμπαν.
Οι φυσικοί, ωστόσο, το βρήκαν αρκετά δύσκολο να συγχωνεύσουν τον μικροσκοπικό κόσμο με τον μακροσκοπικό. Σε μεγάλες και ιδιαίτερα αστρονομικές κλίμακες, η βαρύτητα κυριαρχεί και περιγράφεται καλύτερα από τη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αλλά σε μοριακή, ατομική ή υποατομική κλίμακα, κβαντική μηχανική περιγράφει καλύτερα τον φυσικό κόσμο. Και μέχρι στιγμής, κανείς δεν έχει βρει έναν καλό τρόπο για να συγχωνεύσει αυτούς τους δύο κόσμους.
Οι φυσικοί που μελετούν την κβαντική βαρύτητα στοχεύουν να περιγράψουν τη δύναμη με όρους κβαντικού κόσμου, κάτι που θα μπορούσε να βοηθήσει στη συγχώνευση. Θεμελιώδης σε αυτή την προσέγγιση θα ήταν η ανακάλυψη των βαρυτονίων, του θεωρητικού μποζονίου της βαρυτικής δύναμης που μεταφέρει τη δύναμη. Η βαρύτητα είναι η μόνη θεμελιώδης δύναμη που οι φυσικοί μπορούν επί του παρόντος να περιγράψουν χωρίς τη χρήση σωματιδίων που φέρουν δύναμη. Αλλά επειδή οι περιγραφές όλων των άλλων θεμελιωδών δυνάμεων απαιτούν σωματίδια που φέρουν δύναμη, οι επιστήμονες αναμένουν ότι τα γκραβιτόνια πρέπει να υπάρχουν σε υποατομικό επίπεδο — οι ερευνητές απλώς δεν έχουν βρει ακόμη αυτά τα σωματίδια.
Περιπλέκει περαιτέρω την ιστορία το αόρατο βασίλειο του σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια, που αποτελούν περίπου το 95% του σύμπαντος. Δεν είναι σαφές εάν η σκοτεινή ύλη και ενέργεια αποτελούνται από ένα μόνο σωματίδιο ή ένα ολόκληρο σύνολο σωματιδίων που έχουν τις δικές τους δυνάμεις και τα μποζόνια αγγελιαφόρων τους.
Το πρωτεύον σωματίδιο αγγελιοφόρου τρέχοντος ενδιαφέροντος είναι το θεωρητικό σκοτεινό φωτόνιο, το οποίο θα μεσολαβούσε στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ του ορατού και του αόρατου σύμπαντος. Εάν υπάρχουν σκοτεινά φωτόνια, θα ήταν το κλειδί για την ανίχνευση του αόρατου κόσμου της σκοτεινής ύλης και θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην ανακάλυψη ενός πέμπτη θεμελιώδης δύναμη. Μέχρι στιγμής, όμως, δεν υπάρχει καμία απόδειξη σκοτεινά φωτόνια υπάρχουν, και ορισμένες έρευνες έχουν προσφέρει ισχυρές αποδείξεις ότι αυτά τα σωματίδια δεν υπάρχουν.
Επιπρόσθετοι πόροι: