Fra å gå på gaten, til å skyte en rakett ut i verdensrommet, til å stikke en magnet på kjøleskapet ditt, virker fysiske krefter rundt oss. Men alle kreftene som vi opplever hver dag (og mange som vi ikke er klar over at vi opplever hver dag) kan piskes ned til bare fire grunnleggende krefter:
- Tyngde.
- Den svake kraften.
- Elektromagnetisme.
- Den sterke styrken.
Disse kalles de fire grunnleggende naturkreftene, og de styrer alt som skjer i universet.
Tyngde
Tyngdekraft er tiltrekningen mellom to objekter som har masse eller energi, enten dette sees ved å slippe en stein fra en bro, en planet som kretser rundt en stjerne eller månen forårsaker tidevann av havet. Tyngdekraften er sannsynligvis den mest intuitive og kjente av de grunnleggende kreftene, men det har også vært noe av det mest utfordrende å forklare.
Isaac Newton var den første som foreslo ideen om tyngdekraften, visstnok inspirert av et eple som falt fra et tre. Han beskrev tyngdekraften som en bokstavelig tiltrekning mellom to gjenstander. Århundrer senere antydet Albert Einstein, gjennom sin teori om generell relativitet, at tyngdekraften ikke er en attraksjon eller en styrke. I stedet er det en konsekvens av at objekter bøyer seg rom-tid. Et stort objekt fungerer på romtid litt som hvordan en stor ball plassert i midten av et ark påvirker materialet, deformerer det og får andre, mindre objekter på arket til å falle mot midten.
Selv om tyngdekraften holder planeter, stjerner, solsystemer og til og med galakser sammen, viser det seg å være den svakeste av de grunnleggende kreftene, spesielt på molekyl- og atomskalaen. Tenk på det på denne måten: Hvor vanskelig er det å løfte en ball av bakken? Eller å løfte foten? Eller å hoppe? Alle disse handlingene motvirker tyngdekraften på hele jorden. Og på molekyl- og atomnivå har tyngdekraften nesten ingen effekt i forhold til de andre grunnleggende kreftene.
Den svake kraften
Den svake kraften, også kalt den svake nukleære interaksjonen, er ansvarlig for partikkelforfall. Dette er den bokstavelige endringen av en type subatomisk partikkel til en annen. Så for eksempel kan et nøytrino som streifer nær et nøytron gjøre om nøytronet til et proton mens neutrinoen blir et elektron.
Fysikere beskriver dette samspillet gjennom utveksling av kraftbærende partikler kalt bosoner. Spesifikke typer bosoner er ansvarlige for den svake kraften, den elektromagnetiske kraften og den sterke kraften. I den svake kraften er bosonene ladede partikler som kalles W og Z-bosoner. Når subatomære partikler som protoner, nøytroner og elektroner kommer innenfor 10 ^ -18 meter, eller 0,1% av diameteren til et proton, til hverandre, kan de bytte ut disse bosonene. Som et resultat forfaller de subatomære partiklene til nye partikler, ifølge Georgia State Universitys HyperPhysics nettsted.
Den svake kraften er kritisk for atomfusjonsreaksjonene som driver sola og produserer energien som trengs for de fleste livsformer her på jorden. Det er også grunnen til at arkeologer kan bruke karbon-14 til dags dato gamle bein, tre og andre tidligere levende gjenstander. Carbon-14 har seks protoner og åtte nøytroner; en av disse nøytronene forfaller til et proton for å lage nitrogen-14, som har syv protoner og syv nøytroner. Dette forfallet skjer med en forutsigbar hastighet, og lar forskere bestemme hvor gamle slike artefakter er.
Elektromagnetisk kraft
Den elektromagnetiske kraften, også kalt Lorentz-kraften, virker mellom ladde partikler, som negativt ladede elektroner og positivt ladede protoner. Motsatte anklag tiltrekker hverandre, mens lignende anklager avviser. Jo større ladning, desto større er styrken. Og omtrent som tyngdekraften, kan denne kraften føles fra en uendelig avstand (selv om kraften ville være veldig, veldig liten på den avstanden).
Som navnet tilsier, består den elektromagnetiske kraften av to deler: den elektriske kraften og den magnetiske kraften. Til å begynne med beskrev fysikere disse kreftene som separate fra hverandre, men forskere innså senere at de to er komponenter av samme styrke.
Den elektriske komponenten fungerer mellom ladde partikler enten de er i bevegelse eller står stille, og skaper et felt som ladningene kan påvirke hverandre på. Men når de først er satt i gang, begynner de ladede partiklene å vise den andre komponenten, den magnetiske kraften. Partiklene skaper et magnetfelt rundt seg når de beveger seg. Så når elektroner zoomer gjennom en ledning for å lade datamaskinen eller telefonen eller slå på TVen din, for eksempel, blir ledningen magnetisk.
Elektromagnetiske krefter overføres mellom ladede partikler gjennom utveksling av masseløse, kraftbærende bosoner kalt fotoner, som også er partikkelkomponentene i lys. De kraftbærende fotonene som bytter mellom ladde partikler er imidlertid en annen manifestasjon av fotoner. De er virtuelle og ikke påviselige, selv om de teknisk sett er de samme partiklene som den virkelige og påviselige versjonen, ifølge University of Tennessee, Knoxville.
Den elektromagnetiske kraften er ansvarlig for noen av de mest opplevde fenomenene: friksjon, elastisitet, normalkraften og kraften som holder faste stoffer sammen i en gitt form. Det er til og med ansvarlig for dra som fugler, fly og til og med Superman opplever mens du flyr. Disse handlingene kan oppstå på grunn av ladede (eller nøytraliserte) partikler som interagerer med hverandre. Normalkraften som holder en bok på toppen av et bord (i stedet for at tyngdekraften trekker boken gjennom til bakken), er for eksempel en konsekvens av at elektroner i bordets atomer frastøter elektroner i bokens atomer.
Den sterke kjernefysiske styrken
Den sterke kjernefysiske styrken, også kalt den sterke kjernefysiske samspillet, er den sterkeste av de fire grunnleggende naturkreftene. Det er 6 000 billioner billioner (det er 39 nuller etter 6!) Ganger sterkere enn tyngdekraften, ifølge nettstedet HyperPhysics. Og det er fordi det binder de grunnleggende partiklene av materie sammen for å danne større partikler. Den holder sammen kvarkene som utgjør protoner og nøytroner, og en del av den sterke kraften holder også protonene og nøytronene fra et atomkjerne sammen.
I likhet med den svake kraften, fungerer den sterke kraften bare når subatomære partikler er ekstremt nær hverandre. De må være et sted innen 10 til 15 meter fra hverandre, eller omtrent innenfor diameteren til et proton, ifølge nettstedet HyperPhysics.
Den sterke kraften er imidlertid underlig, for i motsetning til noen av de andre grunnleggende kreftene, blir den svakere når subatomære partikler beveger seg nærmere hverandre. Den når faktisk maksimal styrke når partiklene er lengst borte fra hverandre, ifølge Fermilab. Når de er innenfor rekkevidde, overfører masseløse ladede bosoner kalt gluoner den sterke kraften mellom kvarkene og holder dem "limt" sammen. En liten brøkdel av den sterke kraften som kalles den gjenværende sterke kraften virker mellom protoner og nøytroner. Protoner i kjernen frastøter hverandre på grunn av deres lignende ladning, men den gjenværende sterke kraften kan overvinne denne frastøtningen, slik at partiklene forblir bundet i et atomkjerne.
Samlende natur
Det enestående spørsmålet med de fire grunnleggende kreftene er om de faktisk er manifestasjoner av bare en eneste stor styrke i universet. I så fall bør hver av dem kunne slå seg sammen med de andre, og det er allerede bevis for at de kan.
Fysikerne Sheldon Glashow og Steven Weinberg fra Harvard University med Abdus Salam fra Imperial College London vant Nobelprisen i fysikk i 1979 for å forene den elektromagnetiske styrken med den svake kraften for å danne konseptet til elektrokekraften. Fysikere som jobber for å finne en såkalt grand enhetlig teori tar sikte på å forene elektrokkkraften med den sterke kraften for å definere en elektronisk kjernekraft, som modeller har spådd, men forskere ennå ikke har observert. Det siste stykket av puslespillet ville da kreve en forening av tyngdekraften med den elektroniske kjernekraften for å utvikle den såkalte teorien om alt, et teoretisk rammeverk som kan forklare hele universet.
Fysikere har imidlertid funnet det ganske vanskelig å slå sammen den mikroskopiske verdenen med den makroskopiske. På store og spesielt astronomiske skalaer dominerer tyngdekraften og beskrives best av Einsteins teori om generell relativitet. Men på molekylær, atom- eller subatomisk skala, beskriver kvantemekanikk best den naturlige verdenen. Og så langt har ingen kommet frem til en god måte å slå sammen de to verdenene.
Fysikere som studerer kvantegravitasjon har som mål å beskrive kraften i form av kvanteverdenen, noe som kan hjelpe med sammenslåingen. Grunnleggende for denne tilnærmingen ville være oppdagelsen av gravitoner, den teoretiske kraftbærende bosonen til gravitasjonskraften. Tyngdekraften er den eneste grunnleggende kraften som fysikere i dag kan beskrive uten å bruke kraftbærende partikler. Men fordi beskrivelser av alle de andre grunnleggende kreftene krever kraftbærende partikler, forventer forskere at gravitoner må eksistere på det subatomære nivået - forskere har bare ikke funnet disse partiklene ennå.
Ytterligere kompliserer historien er det usynlige riket av mørk materie og mørk energi, som utgjør omtrent 95% av universet. Det er uklart om mørk materie og energi består av en enkelt partikkel eller et helt sett med partikler som har sine egne krefter og messenger-bosoner.
Den viktigste messengerpartikkelen av aktuell interesse er det teoretiske mørke fotonet, som ville formidle interaksjoner mellom det synlige og usynlige universet. Hvis det finnes mørke fotoner, vil de være nøkkelen til å oppdage den usynlige verden av mørk materie og kan føre til oppdagelsen av en femte grunnleggende styrke. Så langt er det imidlertid ingen bevis for at mørke fotoner eksisterer, og noe forskning har gitt sterke bevis på at disse partiklene ikke eksisterer.
