چهار نیروی اساسی هر روز بر روی ما عمل می کنند، خواه ما متوجه شویم یا نه. از بازی بسکتبال گرفته تا پرتاب موشک به فضا، تا چسباندن آهنربا به یخچال - همه نیروهایی که همه ما هر روز تجربه می کنیم را می توان به یک چهارگانه مهم کاهش داد: گرانش، نیروی ضعیف، الکترومغناطیس و نیروی قوی. این نیروها هر چیزی را که در جهان اتفاق می افتد کنترل می کنند.
جاذبه زمین
جاذبه زمین جاذبه بین دو جسم دارای جرم یا انرژی است، خواه هنگام پرتاب سنگ از پل، سیاره ای که به دور ستاره می چرخد یا ماه که باعث جزر و مد اقیانوس می شود دیده شود. گرانش شاید شهودی ترین و آشناترین نیروهای اصلی باشد، اما توضیح آن نیز یکی از دشوارترین آنهاست.
اسحاق نیوتن اولین کسی بود که ایده گرانش را مطرح کرد که تصور می شود از سقوط سیب از درخت الهام گرفته شده است. او گرانش را به عنوان یک جاذبه واقعی بین دو جسم توصیف کرد. قرن ها بعد، آلبرت انیشتین از طریق خودش پیشنهاد داد نظریه نسبیت عامکه گرانش یک جاذبه یا یک نیرو نیست. در عوض، این نتیجه خمش اجرام فضا-زمان است. جسم بزرگ روی فضا-زمان کار می‌کند، درست همانطور که یک توپ بزرگ که در وسط برگ قرار می‌گیرد، بر این ماده تأثیر می‌گذارد، آن را تغییر شکل می‌دهد و باعث می‌شود اجسام کوچکتر روی برگ به سمت وسط بیفتند.
اگرچه گرانش سیارات، ستارگان، منظومه های خورشیدی و حتی را نگه می دارد کهکشان ها آنها با هم ثابت می کنند که ضعیف ترین نیروهای اساسی هستند، به ویژه در مقیاس مولکولی و اتمی. به این موضوع فکر کنید: بلند کردن توپ از روی زمین چقدر سخت است؟ یا پای خود را بلند کنید؟ یا برای پریدن؟ همه این اقدامات گرانش کل زمین را خنثی می کند. و در سطوح مولکولی و اتمی، گرانش تقریباً هیچ تأثیری بر سایر نیروهای اساسی ندارد.
متصل: یک راز غول پیکر در هر اتم در جهان وجود دارد
قدرت ضعیف
نیروی ضعیف که برهمکنش هسته ای ضعیف نیز نامیده می شود، مسئول تجزیه ذرات است. این تغییر واقعی از یک نوع ذره زیر اتمی به دیگری است. بنابراین، برای مثال، الف nاوترینو که نزدیک به یک نوترون منحرف می شود، می تواند یک نوترون را به پروتون تبدیل کند، در حالی که یک نوترینو به یک الکترون تبدیل می شود.
فیزیکدانان این برهمکنش را با تبادل ذرات حامل نیرو به نام بوزون توصیف می کنند. گونه های خاصی از بوزون ها مسئول قدرت کم، قدرت الکترومغناطیسی و قدرت قوی هستند. در توان کم، بوزون ها ذرات باردار به نام بوزون W و Z هستند. وقتی ذرات زیراتمی مانند پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها در فاصله 18-10 متر یا 0.1 درصد قطر پروتون از یکدیگر قرار گیرند، می توانند این بوزون ها را مبادله کنند. در نتیجه، ذرات زیر اتمی به ذرات جدید تجزیه می شوند وب سایت HyperPhysics دانشگاه ایالتی جورجیا.
قدرت ضعیف برای واکنش های همجوشی که انرژی خورشید را تامین می کند و انرژی مورد نیاز برای اکثر اشکال حیات در اینجا روی زمین را تولید می کند، بسیار مهم است. به همین دلیل است که باستان شناسان می توانند از کربن 14 برای تاریخ گذاری استخوان های باستانی، چوب و سایر مصنوعات زنده استفاده کنند. کربن 14 دارای شش پروتون و هشت نوترون است. یکی از این نوترون ها به پروتون تجزیه می شود و نیتروژن 14 را تشکیل می دهد که دارای هفت پروتون و هفت نوترون است. این پوسیدگی با سرعت قابل پیش بینی رخ می دهد، که به دانشمندان اجازه می دهد قدمت چنین آثاری را تعیین کنند.
نیروی الکترومغناطیسی
نیروی الکترومغناطیسی که نیروی لورنتس نیز نامیده می‌شود، بین ذرات باردار مانند الکترون‌های با بار منفی و پروتون‌های با بار مثبت عمل می‌کند. بارهای مخالف به سمت یکدیگر جذب می شوند، در حالی که موارد مشابه یکدیگر را دفع می کنند. هرچه شارژ بیشتر باشد، قدرت بیشتر است. و مانند گرانش، این نیرو را می توان از فاصله بی نهایت احساس کرد (اگرچه نیرو در آن فاصله بسیار بسیار کم خواهد بود).
همانطور که از نامش پیداست، نیروی الکترومغناطیسی از دو بخش تشکیل شده است: نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی. در ابتدا، فیزیکدانان این نیروها را جدا از یکدیگر توصیف کردند، اما محققان بعدی متوجه شدند که این دو مؤلفه های یک نیرو هستند.
جزء الکتریکی بین ذرات باردار، خواه متحرک یا ساکن عمل می کند و میدانی ایجاد می کند که از طریق آن بارها می توانند بر یکدیگر تأثیر بگذارند. اما هنگامی که این ذرات باردار به حرکت در می آیند، مولفه دوم یعنی نیروی مغناطیسی را نشان می دهند. ذرات در حین حرکت یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می کنند. بنابراین وقتی الکترون ها از سیم عبور می کنند تا کامپیوتر یا تلفن شما را شارژ کنند یا تلویزیون شما را روشن کنند، مثلاً سیم مغناطیسی می شود.
متصل: آیا خورشید ما به خواب زمستانی می رود؟
نیروهای الکترومغناطیسی بین ذرات باردار با مبادله بوزون های بدون جرم و حامل نیرو به نام فوتون ها منتقل می شوند که آنها نیز ذرات، اجزای نور هستند. با این حال، فوتون های حامل نیرو که بین ذرات باردار رد و بدل می شوند، تجلی متفاوتی از فوتون ها هستند. آنها مجازی و غیرقابل شناسایی هستند، اگرچه از نظر فنی همان ذرات نسخه واقعی و قابل تشخیص هستند. دانشگاه تنسی، ناکسویل.
نیروی الکترومغناطیسی مسئول برخی از رایج ترین پدیده ها است: اصطکاک، کشش، نیروی نرمال و نیرویی که جامدات را در یک شکل معین در کنار هم نگه می دارد. او حتی مسئول مقاومتی است که پرندگان، هواپیماها و حتی سوپرمن هنگام پرواز تجربه می کنند. این اعمال می تواند به دلیل تعامل ذرات باردار (یا خنثی شده) با یکدیگر رخ دهد. نیروی طبیعی که کتاب را روی میز نگه می دارد (به جای گرانشی که کتاب را به زمین می کشد)، به عنوان مثال، به این دلیل است که الکترون های موجود در اتم های جرم، الکترون های موجود در اتم های کتاب را دفع می کنند. .
قدرت هسته ای قوی
نیروی هسته ای قوی که به آن فعل و انفعال هسته ای قوی نیز می گویند، قوی ترین نیروی هسته ای از چهار نیروی طبیعی اصلی است. این برابر با 6 تریلیون تریلیون تریلیون تریلیون (یعنی 39 صفر بعد از 6!) برابر نیروی گرانش است. وب سایت HyperPhysics. و این به این دلیل است که ذرات اصلی را به هم متصل می کند موضوع با هم ذرات بزرگتری را تشکیل می دهند. کوارک‌های سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها را کنار هم نگه می‌دارد و بخشی از نیروی قوی، پروتون‌ها و نوترون‌های هسته اتم را نیز در کنار هم نگه می‌دارد.
مانند نیروی ضعیف، نیروی قوی تنها زمانی عمل می کند که ذرات زیر اتمی بسیار نزدیک به یکدیگر باشند. آنها باید در حدود 10 ^ -15 متر از یکدیگر یا تقریباً به قطر یک پروتون باشند.
با این حال، نیروی قوی عجیب است زیرا، بر خلاف هر یک از نیروهای اساسی دیگر، زمانی که ذرات زیر اتمی به یکدیگر نزدیکتر می شوند، ضعیف تر می شود. در واقع، با توجه به اینکه ذرات در دورترین فاصله از یکدیگر قرار دارند، به حداکثر نیروی خود می رسد فرمیلب. بوزون‌های باردار بدون جرم که گلوئون نامیده می‌شوند، نیروی قوی بین کوارک‌ها را منتقل می‌کنند و آنها را به هم چسبیده نگه می‌دارند. بخش کوچکی از نیرو که نیروی باقیمانده نامیده می شود بین پروتون ها و نوترون ها عمل می کند. پروتون های هسته به دلیل بار مشابهی که دارند یکدیگر را دفع می کنند، اما نیروی قوی باقیمانده می تواند بر این دافعه غلبه کند به طوری که ذرات در بسته باقی بمانند. هسته اتم.
متصل: ناسا، DOE در حال تامین مالی سه مفهوم برای پیشرانش فضایی حرارتی هسته ای است
یکپارچه کننده طبیعت
سوال غیرقطعی چهار نیروی اساسی این است که آیا آنها در واقع مظهر تنها یک نیروی بزرگ در جهان هستند؟ اگر چنین است، هر یک از آنها باید بتوانند با دیگران ادغام شوند، و در حال حاضر شواهدی وجود دارد که می توانند.
فیزیکدانان شلدون گلاشو و استیون واینبرگ از دانشگاه هاروارد به همراه عبدالسلام از امپریال کالج لندن برنده شدند. جایزه نوبل در فیزیک در سال 1979 نیروی الکترومغناطیسی را با نیروی ضعیف ترکیب کرد تا مفهومی را شکل دهد قدرت الکتریکی ضعیف. فیزیکدانانی که در تلاش برای یافتن نظریه موسوم به یکپارچه بزرگ هستند، هدفشان ترکیب قدرت الکتروضعیف با قدرت قوی برای تعریف توان الکتروهسته‌ای است که مدل‌ها پیش‌بینی کرده‌اند، اما محققان هنوز مشاهده نکرده‌اند. سپس آخرین بخش از پازل نیاز به ترکیب گرانش با نیروی الکتروهسته ای برای توسعه به اصطلاح دارد. نظریه همه چیز، یک چارچوب نظری که می تواند کل جهان را توضیح دهد.
با این حال، فیزیکدانان ادغام دنیای میکروسکوپی با دنیای ماکروسکوپی را دشوار یافته اند. در مقیاس بزرگ و به خصوص نجومی، گرانش بر آن غالب است و نظریه نسبیت عام انیشتین آن را به بهترین شکل توصیف می کند. اما در مقیاس مولکولی، اتمی یا زیر اتمی، مکانیک کوانتومی به بهترین شکل جهان طبیعی را توصیف می کند. و تاکنون هیچ کس نتوانسته است راه حل کامل را ارسال کند، که عجیب نیست.
هدف فیزیکدانانی که گرانش کوانتومی را مطالعه می کنند، این قدرت را بر حسب دنیای کوانتومی توصیف می کنند که می تواند به همجوشی کمک کند. مرکز این رویکرد، کشف گراویتون ها، نیروی نظری بوزون نیروی گرانشی است. گرانش تنها نیروی اساسی است که فیزیکدانان در حال حاضر می توانند بدون استفاده از ذرات حامل نیرو توصیف کنند. اما از آنجایی که توصیف همه نیروهای اساسی دیگر به ذرات حامل نیرو نیاز دارد، دانشمندان انتظار دارند که گراویتون ها در سطح زیراتمی وجود داشته باشند - محققان هنوز این ذرات را کشف نکرده اند.
یکی دیگر از پیچیدگی های داستان، قلمرو نامرئی است ماده تاریک و انرژی تاریک، که تقریباً 95٪ از جهان را تشکیل می دهند. مشخص نیست که آیا ماده و انرژی تاریک از یک ذره تشکیل شده است یا مجموعه ای کامل از ذرات که دارای قدرت و بوزون های پیام رسان خاص خود هستند.
ذره پیام رسان اصلی مورد توجه فعلی فوتون تاریک نظری است که برهمکنش بین جهان مرئی و نامرئی را واسطه می کند. اگر فوتون های تاریک وجود داشته باشند، کلید کشف دنیای نامرئی ماده تاریک خواهند بود و می توانند به کشف نیروی بنیادی پنجم. با این حال، تاکنون هیچ مدرکی در این مورد وجود ندارد فوتون های تاریک وجود دارد و برخی مطالعات شواهد قانع کننده ای ارائه می دهند که این ذرات وجود ندارد.
منابع اضافی: