Kävely kadulla, raketin laskeminen avaruuteen ja magneetin kiinnittäminen jääkaappiin, fyysiset voimat vaikuttavat ympärillämme. Mutta kaikki voimat, joita koemme päivittäin (ja monet, joita emme ymmärrä, että koemme päivittäin), voidaan yhdistää vain neljään perusvoimaan:
- Painovoima.
- Heikko voima.
- Sähkömagnetismi.
- Vahva voima.
Näitä kutsutaan neljäksi luonnon perusvoimana, ja ne hallitsevat kaikkea mitä tapahtuu maailmankaikkeudessa.
Painovoima
Painovoima on vetovoima kahden esineen välillä, joilla on massaa tai energiaa, olipa tämä nähtävissä pudotettaessa kallio sillasta, tähtiä kiertävältä planeetalta tai kuulta aiheuttaen valtameren vuorovesi. Painovoima on luultavasti intuitiivisin ja tuttu perusvoimista, mutta se on myös ollut yksi haastavimmista selittää.
Isaac Newton ehdotti ensimmäisenä ajatusta painovoimasta, jonka oletettavasti innoitti puusta pudonnut omena. Hän kuvasi painovoimaa kirjaimellisena vetovoimena kahden esineen välillä. Vuosisatoja myöhemmin Albert Einstein ehdotti yleisen suhteellisuusteoriansa kautta, että painovoima ei ole vetovoima tai voima. Sen sijaan se on seuraus esineistä, jotka taipuvat avaruus-aikaan. Suuri esine toimii avaruusaikana vähän kuin kuinka arkin keskelle sijoitettu suuri pallo vaikuttaa siihen materiaaliin, deformoi sitä ja saa muut arkin pienemmät esineet putoamaan kohti keskustaa.
Vaikka painovoima pitää planeettoja, tähtiä, aurinkojärjestelmiä ja jopa galakseja yhdessä, se osoittautuu heikoimmaksi perusvoimista, etenkin molekyylin ja atomin asteikolla. Ajattele sitä tällä tavalla: Kuinka vaikeaa on nostaa pallo maasta? Tai nostaaksesi jalkasi? Tai hypätä? Kaikki nämä toimet ovat vastakkaisia koko Maan painovoimalle. Ja molekyyli- ja atomitasolla painovoimalla ei ole melkein mitään vaikutusta suhteessa muihin perusvoimiin.
Heikko voima
Heikko voima, jota kutsutaan myös heikoksi ydinvuorovaikutukseksi, on vastuussa hiukkasten rappeutumisesta. Tämä on yhden tyyppisen alaatomisen hiukkasen kirjallinen muutos toiseksi. Joten esimerkiksi neutrino, joka kuluu lähellä neutronia, voi muuttaa neutronin protoniksi, kun taas neutrinoista tulee elektroni.
Fyysikot kuvaavat tätä vuorovaikutusta vaihtamalla voimia kantavat hiukkaset, joita kutsutaan bosoneiksi. Erityiset bosonit ovat vastuussa heikosta voimasta, sähkömagneettisesta voimasta ja voimakkaasta voimasta. Heikossa voimassa bosonit ovat varautuneita hiukkasia, joita kutsutaan W- ja Z-bosoneiksi. Kun subatomiset hiukkaset, kuten protonit, neutronit ja elektronit, sijaitsevat 10 - 18 metrin sisällä tai 0,1%: n päässä protonin halkaisijasta, ne voivat vaihtaa nämä bosonit. Georgian osavaltion yliopiston HyperPhysics-verkkosivuston mukaan subatomiset hiukkaset hajoavat uusiksi partikkeleiksi.
Heikko voima on kriittinen ydinfuusioreaktioille, jotka syövät aurinkoa ja tuottavat energian, jota tarvitaan useimpiin elämän muotoihin täällä maan päällä. Siksi myös arkeologit voivat käyttää hiili-14: tä nykyaikaiseen muinaiseen luuhun, puuhun ja muihin aiemmin eläviin esineisiin. Hiili-14: ssä on kuusi protonia ja kahdeksan neutronia; yksi niistä neutroneista hajoaa protoniksi, jolloin muodostuu typpi-14, jossa on seitsemän protonia ja seitsemän neutronia. Tämä rappeutuminen tapahtuu ennustettavalla nopeudella, jolloin tutkijat voivat määrittää, kuinka vanhat tällaiset esineet ovat.
Sähkömagneettinen voima
Sähkömagneettinen voima, jota kutsutaan myös Lorentzin voimaksi, toimii varautuneiden hiukkasten välillä, kuten negatiivisesti varautuneet elektronit ja positiivisesti varautuneet protonit. Vastakkaiset lataukset houkuttelevat toisiaan, kun taas samat lataukset torjuvat. Mitä suurempi varaus, sitä suurempi voima. Ja aivan kuten painovoima, tämä voima voidaan tuntea äärettömästä etäisyydestä (vaikka voima olisi hyvin, hyvin pieni tällä etäisyydellä).
Kuten nimensä osoittaa, sähkömagneettinen voima koostuu kahdesta osasta: sähkövoimasta ja magneettisesta voimasta. Aluksi fyysikot kuvasivat nämä voimat erillään toisistaan, mutta tutkijat ymmärsivät myöhemmin, että nämä kaksi ovat saman voiman komponentteja.
Sähkökomponentti toimii varautuneiden hiukkasten välillä riippumatta siitä ovatko ne liikkuvia tai paikallaan, muodostaen kentän, jolla varaukset voivat vaikuttaa toisiinsa. Mutta kun ne on asetettu liikkeelle, nämä ladatut hiukkaset alkavat näyttää toisen komponentin, magneettisen voiman. Hiukkaset luovat magneettikentän ympärilleen liikkuessaan. Joten kun elektronit zoomaavat johdon läpi tietokoneen tai puhelimen lataamiseksi tai esimerkiksi television kytkemiseksi päälle, lanka muuttuu magneettiseksi.
Sähkömagneettiset voimat siirtyvät varautuneiden hiukkasten välillä vaihtamatta massattomia, voimaa kantavia bosoneja, joita kutsutaan fotoneiksi, jotka ovat myös valon hiukkaskomponentteja. Varautuneiden hiukkasten välillä vaihtavat voimaa kantavat fotonit ovat kuitenkin fotonien erilainen ilmentymä. Knoxvillen Tennessee-yliopiston mukaan ne ovat virtuaalisia ja havaitsemattomia, vaikka ovatkin teknisesti samoja hiukkasia kuin todellinen ja havaittavissa oleva versio.
Sähkömagneettinen voima on vastuussa joistakin yleisimmin havaituista ilmiöistä: kitka, kimmoisuus, normaali voima ja kiinteät kiinteät voimat, jotka pitävät yhdessä tietyn muodon. Se on jopa vastuussa lintujen, lentokoneiden ja jopa Supermanin vetämästä lentämisestä. Nämä toimet voivat tapahtua, koska varautuneet (tai neutraloidut) hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Normaali voima, joka pitää kirjan pöydän päällä (sen sijaan, että painovoima vetoa kirjan maahan) on esimerkiksi seurausta pöydän atomien elektroneista, jotka hylkivät kirjan atomien elektroneja.
Vahva ydinvoima
Vahva ydinvoima, jota kutsutaan myös vahvaksi ydinvoiman vuorovaikutukseksi, on vahvin luonnon neljästä perusvoimasta. HyperPhysics-verkkosivuston mukaan se on 6 000 biljoonaa biljoonaa biljoonaa (se on 39 nollaa 6: n jälkeen!) -Kertaisesti voimakkaampi kuin painovoima. Ja se johtuu siitä, että se sitoo aineen perushiukkaset muodostaen suurempia hiukkasia. Se pitää yhdessä kvarkeja, jotka muodostavat protoneja ja neutroneja, ja osa voimakasta voimaa pitää myös atomin ytimen protonit ja neutronit yhdessä.
Aivan kuten heikko voima, vahva voima toimii vain silloin, kun subatomiset hiukkaset ovat erittäin lähellä toisiaan. HyperPhysics-sivuston mukaan niiden on oltava jonkin verran 10 - 15 metrin päässä toisistaan tai suunnilleen protonin halkaisijan sisällä.
Vahva voima on kuitenkin pariton, koska toisin kuin mikään muu perusvoima, se heikkenee, kun subatomiset hiukkaset liikkuvat lähemmäksi toisiaan. Se todella saavuttaa suurimman lujuuden, kun hiukkaset ovat kauimpana toisistaan, Fermilabin mukaan. Kun ne ovat etäisyydellä, massattomat varautuneet bosonit, nimeltään gluonit, välittävät voimakkaan voiman kvarkkien välillä ja pitävät ne "liimattuina" yhteen. Pieni murrososa voimakasta voimaa, nimeltään voimakas jäännösvoima, toimii protonien ja neutronien välillä. Ytimen protonit hylkivät toisiaan niiden samanlaisen varauksen takia, mutta jäljelle jäävä voimakas voima voi voittaa tämän heikentymisen, joten partikkelit pysyvät sitoutuneina atomin ytimeen.
Yhdistävä luonto
Neljän perusvoiman jäljellä oleva kysymys on, ovatko ne todellisuudessa vain yhden maailmankaikkeuden suuren voiman ilmentymiä. Jos niin, jokaisen heistä pitäisi pystyä sulautumaan muihin, ja on jo todisteita siitä, että he voivat.
Fyysikot Sheldon Glashow ja Steven Weinberg Harvardin yliopistosta yhdessä Abdus Salamin kanssa Lontoon Imperial Collegesta voittivat Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1979 elektromagneettisen voiman yhdistämisestä heikolla voimalla elektroneekonormin käsitteen muodostamiseksi. Fyysikot, jotka pyrkivät löytämään niin sanotun suuren yhtenäisen teorian, pyrkivät yhdistämään sähkövirtavoiman voimakkaalla voimalla määrittämään elektronisen ydinvoiman, jonka mallit ovat ennustaneet, mutta tutkijat eivät ole vielä havainneet. Palapelin viimeinen kappale vaatisi silloin painovoiman yhdistämistä elektronisen ydinvoiman kanssa niin kutsutun kaiken teorian kehittämiseksi, teoreettisen viitekehyksen, joka voisi selittää koko maailmankaikkeuden.
Fyysikoilla on kuitenkin ollut melko vaikea yhdistää mikroskooppinen maailma makroskooppiseen maailmaan. Suurissa ja erityisesti tähtitieteellisissä asteikkoissa painovoima hallitsee ja sitä kuvaa parhaiten Einsteinin teoria yleisrelatiivisuudesta. Mutta molekyyli-, atomi- tai subatomiatasteikolla kvanttimekaniikka kuvaa parhaiten luonnollista maailmaa. Ja toistaiseksi kukaan ei ole keksinyt hyvää tapaa yhdistää nämä kaksi maailmaa.
Kvanttipainoa tutkivien fyysikkojen tarkoituksena on kuvata kvantimaailman voima, joka voisi auttaa sulautumisessa. Tämän lähestymistavan perustana olisi gravitonien, gravitaatiovoiman teoreettisen voiman kantavan bosonin löytäminen. Painovoima on ainoa perusvoima, jonka fyysikot voivat tällä hetkellä kuvata käyttämättä voimaa kantavia hiukkasia. Mutta koska kaikkien muiden perusvoimien kuvaukset vaativat voimaa kantavia hiukkasia, tutkijat odottavat, että gravitonien on oltava subatomisella tasolla - tutkijat eivät vain ole vielä löytäneet näitä hiukkasia.
Tarinaa edelleen monimutkaistaa tumman aineen ja tumman energian näkymätön alue, joka muodostaa noin 95% maailmankaikkeudesta. On epäselvää, koostuvatko pimeä aine ja energia yhdestä hiukkasesta vai kokonaisesta hiukkaskokonaisuudesta, jolla on omat voimansa ja lähettiläspohjansa.
Ajankohtaista mielenkiinnon ensisijainen lähettipartikkeli on teoreettinen tumma fotoni, joka välittäisi vuorovaikutuksia näkyvän ja näkymättömän maailmankaikkeuden välillä. Jos tummia fotoneja on olemassa, ne olisivat avain tumman aineen näkymättömän maailman havaitsemiseksi ja voivat johtaa viidennen perusvoiman löytämiseen. Toistaiseksi ei kuitenkaan ole näyttöä tummien fotonien olemassaolosta, ja jotkut tutkimukset ovat tarjonneet vahvaa näyttöä siitä, että näitä hiukkasia ei ole olemassa.
