De la mersul pe stradă, până la lansarea unei rachete în spațiu, până la lipirea unui magnet pe frigiderul tău, forțele fizice acționează în jurul nostru. Dar toate forțele pe care le experimentăm în fiecare zi (și multe pe care nu le dăm seama că le experimentăm în fiecare zi) pot fi reduse la doar patru forțe fundamentale:
- Gravitatie.
- Forța slabă.
- Electromagnetism.
- Forța puternică.
Acestea sunt numite cele patru forțe fundamentale ale naturii și guvernează tot ceea ce se întâmplă în univers.
Gravitatie
Gravitatea este atracția dintre două obiecte care au masă sau energie, indiferent dacă se vede că aruncă o rocă de pe un pod, o planetă orbitând pe o stea sau pe luna care provoacă valuri oceanice. Gravitatea este probabil cea mai intuitivă și familiară a forțelor fundamentale, dar a fost și una dintre cele mai provocatoare de explicat.
Isaac Newton a fost primul care a propus ideea gravitației, presupus inspirată de un măr care cădea dintr-un copac. El a descris gravitația ca o atracție literală între două obiecte. Secole mai târziu, Albert Einstein a sugerat, prin teoria sa relativității generale, că gravitația nu este o atracție sau o forță. În schimb, este o consecință a obiectelor care îndoaie spațiul-timp. Un obiect mare funcționează în spațiu-timp un pic ca și cum o bilă mare așezată în mijlocul unei foi afectează acel material, deformându-l și provocând alte obiecte mai mici pe foaie să cadă spre mijloc.
Deși gravitația ține planetele, stelele, sistemele solare și chiar galaxiile împreună, se dovedește a fi cea mai slabă dintre forțele fundamentale, în special la scala moleculară și atomică. Gândiți-vă astfel: Cât de greu este să ridicați o minge de pe sol? Sau să ridici piciorul? Sau să sari? Toate aceste acțiuni contracarează gravitația întregului Pământ. Și la nivel molecular și atomic, gravitația nu are aproape niciun efect în raport cu celelalte forțe fundamentale.
Forța slabă
Forța slabă, numită și interacțiunea nucleară slabă, este responsabilă de descompunerea particulelor. Aceasta este schimbarea literală a unui tip de particule subatomice în altul. Deci, de exemplu, un neutrino care se apropie de un neutron poate transforma neutronul într-un proton în timp ce neutrino devine un electron.
Fizicienii descriu această interacțiune prin schimbul de particule purtătoare de forță numite bosoni. Tipuri specifice de bosoni sunt responsabili pentru forța slabă, forța electromagnetică și forța puternică. În forța slabă, bosonii sunt particule încărcate numite bosoni W și Z. Când particulele subatomice, cum ar fi protonii, neutronii și electronii, se încadrează între 10 ^ -18 metri sau 0,1% din diametrul unui proton unul de altul, aceștia pot schimba acești bosoni. Ca urmare, particulele subatomice se descompun în noi particule, potrivit site-ului web HyperPhysics al Universității de Stat din Georgia.
Forța slabă este critică pentru reacțiile de fuziune nucleară care alimentează soarele și produc energia necesară pentru majoritatea formelor de viață aici pe Pământ. De asemenea, este motivul pentru care arheologii pot folosi carbonul 14 pentru a-și păstra oasele, lemnul și alte artefacte vii. Carbon-14 are șase protoni și opt neutroni; unul dintre acei neutroni se descompune într-un proton pentru a produce azot-14, care are șapte protoni și șapte neutroni. Această degradare se întâmplă într-un ritm previzibil, permițând oamenilor de știință să stabilească cât de vechi sunt aceste artefacte.
Forța electromagnetică
Forța electromagnetică, numită și forța Lorentz, acționează între particulele încărcate, precum electronii încărcați negativ și protonii încărcați pozitiv. Taxele opuse se atrag unul pe celălalt, în timp ce acuzațiile se resping. Cu cât sarcina este mai mare, cu atât forța este mai mare. Și la fel ca gravitația, această forță poate fi resimțită de la o distanță infinită (deși forța ar fi foarte, foarte mică la distanță).
După cum indică numele său, forța electromagnetică este formată din două părți: forța electrică și forța magnetică. La început, fizicienii au descris aceste forțe ca fiind separate una de cealaltă, dar ulterior cercetătorii au realizat că cele două sunt componente ale aceleiași forțe.
Componenta electrică acționează între particulele încărcate fie că se mișcă sau staționează, creând un câmp prin care încărcările se pot influența reciproc. Dar, odată puse în mișcare, acele particule încărcate încep să afișeze a doua componentă, forța magnetică. Particulele creează un câmp magnetic în jurul lor în timp ce se mișcă. Deci, când electronii fac zoom printr-un fir pentru a încărca computerul sau telefonul sau porniți televizorul, de exemplu, firul devine magnetic.
Forțele electromagnetice sunt transferate între particulele încărcate prin schimbul de bosoni fără masă, purtători de forță, numiți fotoni, care sunt, de asemenea, componentele de lumină. Fotonii care poartă forța care se schimbă între particulele încărcate, cu toate acestea, sunt o manifestare diferită a fotonilor. Sunt virtuale și nedetectabile, chiar dacă din punct de vedere tehnic sunt aceleași particule ca versiunea reală și detectabilă, potrivit Universității din Tennessee, Knoxville.
Forța electromagnetică este responsabilă pentru unele dintre cele mai frecvente fenomene: frecarea, elasticitatea, forța normală și forța de a ține solidele într-o formă dată. Este chiar responsabil pentru dragostea pe care păsările, avioanele și chiar Superman o experimentează în timp ce zboară. Aceste acțiuni pot apărea din cauza particulelor încărcate (sau neutralizate) care interacționează între ele. Forța normală care ține o carte deasupra unei mese (în loc să tragă gravitația spre pământ), de exemplu, este o consecință a electronilor din atomii mesei care resping electronii din atomii cărții.
Forța nucleară puternică
Forța nucleară puternică, numită și interacțiunea nucleară puternică, este cea mai puternică dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii. Este vorba de 6 mii de trilioane de trilioane (adică 39 de zero după 6!) De ori mai puternice decât forța gravitației, potrivit site-ului HyperPhysics. Și asta pentru că leagă particulele fundamentale de materie pentru a forma particule mai mari. El ține împreună quark-urile care alcătuiesc protoni și neutroni, iar o parte din forța puternică ține, de asemenea, protonii și neutronii nucleului unui atom.
La fel ca forța slabă, forța puternică funcționează numai atunci când particulele subatomice sunt extrem de apropiate unele de altele. Acestea trebuie să se afle undeva la 10 ^ -15 metri unul de celălalt, sau aproximativ în diametrul unui proton, conform site-ului HyperPhysics.
Forța puternică este ciudată, deoarece, spre deosebire de oricare dintre celelalte forțe fundamentale, devine mai slabă pe măsură ce particulele subatomice se apropie între ele. De fapt, Fermilab atinge puterea maximă când particulele sunt cele mai îndepărtate unele de altele. Odată ce se află în raza de acțiune, bosonii încărcați fără masă numiți gluoni transmit forța puternică între quark și îi mențin „lipiți” împreună. O fracțiune mică din forța puternică numită forța reziduală puternică acționează între protoni și neutroni. Protonii din nucleu se resping unul pe altul din cauza încărcăturii lor similare, dar forța reziduală puternică poate depăși această repulsie, astfel încât particulele rămân legate în nucleul unui atom.
Unirea naturii
Întrebarea deosebită a celor patru forțe fundamentale este dacă sunt manifestări ale unei singure forțe mari a universului. Dacă da, fiecare dintre ele ar trebui să poată fuziona cu celelalte și există deja dovezi că pot.
Fizicienii Sheldon Glashow și Steven Weinberg de la Universitatea Harvard cu Abdus Salam de la Imperial College London au câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 1979 pentru unificarea forței electromagnetice cu forța slabă pentru a forma conceptul de forță electroweak. Fizicienii care lucrează pentru a găsi o așa-numită teorie grandificată unificată urmăresc unirea forței electroweak cu forța puternică pentru a defini o forță electronucleară, pe care modelele au prezis-o, dar cercetătorii nu au observat încă. Piesa finală a puzzle-ului ar necesita apoi unificarea gravitației cu forța electronucleară pentru a dezvolta așa-numita teorie a tuturor, un cadru teoretic care ar putea explica întregul univers.
Fizicienii au găsit, însă, destul de dificilă îmbinarea lumii microscopice cu cea macroscopică. La scară largă și mai ales astronomică, gravitația domină și este cea mai bine descrisă de teoria relativității generale a lui Einstein. Dar la scări moleculare, atomice sau subatomice, mecanica cuantică descrie cel mai bine lumea naturală. Și până acum, nimeni nu a venit cu o modalitate bună de a contopi acele două lumi.
Fizicienii care studiază gravitația cuantică își propun să descrie forța în termeni ai lumii cuantice, care ar putea ajuta la îmbinare. Fundamental pentru această abordare ar fi descoperirea gravitonilor, bosonul teoretic purtător de forță al forței gravitaționale. Gravitatea este singura forță fundamentală pe care fizicienii o pot descrie în prezent fără a utiliza particule purtătoare de forță. Dar, deoarece descrierile tuturor celorlalte forțe fundamentale necesită particule purtătoare de forță, oamenii de știință se așteaptă ca gravitonele să existe la nivel subatomic - cercetătorii pur și simplu nu au găsit aceste particule încă.
Complicarea suplimentară a poveștii este tărâmul invizibil al materiei întunecate și al energiei întunecate, care constituie aproximativ 95% din univers. Nu este clar dacă materia întunecată și energia constau dintr-o singură particulă sau un întreg set de particule care au forțele proprii și sânii de mesagerie.
Particularul principal al mesagerului de interes actual este fotonul întunecat, care ar media interacțiunile dintre universul vizibil și invizibil. Dacă fotoni întunecați ar exista cheia pentru a detecta lumea invizibilă a materiei întunecate și ar putea duce la descoperirea unei a cincea forțe fundamentale. Până acum, însă, nu există dovezi că fotoni întunecați există, iar unele cercetări au oferit dovezi puternice că aceste particule nu există.
