az utcán sétálva, rakétát indítva az űrbe, mágnest ragasztva a hűtőszekrényre, fizikai erők hatnak körülöttünk. De minden erő, amit minden nap tapasztalunk (és sok olyan erő, amit nem veszünk észre, hogy minden nap tapasztalunk), csak négy alapvető erőre osztható:
- gravitáció.
- a gyenge erő.
- az erős erő.
ezeket a természet négy alapvető erőjének nevezik, és ők irányítanak mindent, ami az univerzumban történik.,
a Gravitáció
a Gravitáció a vonzalom két tárgyak tömege, vagy az energia, hogy ezt zuhan egy szikla, egy híd, egy bolygó kering a csillag, vagy a hold okozza óceáni árapály. A gravitáció talán a leg intuitívabb és legismertebbje az alapvető erőknek, de ez is az egyik legnagyobb kihívás volt megmagyarázni.
Isaac Newton volt az első, aki javaslatot tett a gravitáció eszméjére, állítólag egy fáról eső alma ihlette. A gravitációt két tárgy szó szerinti vonzerejének írta le., Évszázadokkal később Albert Einstein az Általános relativitáselméletén keresztül azt javasolta, hogy a gravitáció nem vonzás vagy erő. Ehelyett a téridőt hajlító objektumok következménye. Egy nagy tárgy téridőben működik, kicsit olyan, mint egy nagy golyó, amelyet egy lap közepére helyeznek, befolyásolja ezt az anyagot, deformálva azt, és más, kisebb tárgyak a lapon közép felé esnek.
bár a gravitáció együtt tartja a bolygókat, csillagokat, naprendszereket, sőt galaxisokat is, kiderül, hogy az alapvető erők leggyengébbek, különösen a molekuláris és atomi skálákon., Gondolj rá így: milyen nehéz felemelni egy labdát a földről? Vagy felemelni a lábát? Vagy ugrani? Mindezek az intézkedések ellensúlyozzák az egész Föld gravitációját. Molekuláris és atomi szinten a gravitációnak szinte nincs hatása a többi alapvető erőhöz képest.
kapcsolódó: 6 mindennapi dolgok, amelyek furcsán történnek az űrben
A gyenge erő
a gyenge erő, más néven gyenge nukleáris kölcsönhatás, felelős a részecske bomlásáért. Ez az egyik típusú szubatomi részecske szó szerinti változása a másikba., Így például egy neutrínó, amely egy neutronhoz közel helyezkedik el, a neutronot protonná alakíthatja, míg a neutrínó elektronvá válik.
A fizikusok ezt a kölcsönhatást bozonoknak nevezett erőhordozó részecskék cseréjével írják le. Bizonyos típusú bozonok felelősek a gyenge erőért, az elektromágneses erőért és az erős erőért. A gyenge erőben a bozonok W és Z bozonok nevű töltött részecskék. Ha a szubatomi részecskék, mint például a protonok, neutronok és elektronok 10^-18 méteren belül, vagyis egy proton átmérőjének 0,1% – án belül vannak, akkor kicserélhetik ezeket a bozonokat., Ennek eredményeként a szubatomi részecskék új részecskékké bomlanak, a Georgia Állami Egyetem Hiperfizikai honlapja szerint.
a gyenge erő kritikus a nukleáris fúziós reakciók szempontjából, amelyek a napot táplálják, és a Föld legtöbb életformájához szükséges energiát termelik. A régészek ezért is használhatják a szén-14-et a mai napig ősi csontokkal, fákkal és más, korábban élő leletekkel. A szén-14-nek hat protonja és nyolc neutronja van; az egyik ilyen neutron protonná bomlik, hogy nitrogén-14 legyen, amelynek hét protonja és hét neutronja van., Ez a bomlás kiszámítható sebességgel történik, lehetővé téve a tudósok számára, hogy meghatározzák, hány éves az ilyen leletek.
elektromágneses erő
az elektromágneses erő, más néven Lorentz erő, töltött részecskék között hat, mint a negatív töltésű elektronok és a pozitív töltésű protonok. Ellenkező díjak vonzzák egymást, míg a díjak taszítják. Minél nagyobb a töltés, annál nagyobb az erő. A gravitációhoz hasonlóan ez az erő végtelen távolságból is érezhető (bár az erő nagyon, nagyon kicsi lenne ezen a távolságon).,
ahogy a neve is mutatja, az elektromágneses erő két részből áll: az elektromos erőből és a mágneses erőből. Először a fizikusok ezeket az erőket egymástól elkülönítve írták le, de a kutatók később rájöttek, hogy a kettő ugyanazon erő alkotóelemei.
az elektromos komponens a töltött részecskék között mozog vagy áll, olyan mezőt hozva létre, amellyel a töltések befolyásolhatják egymást. De amint mozgásba lépnek, ezek a töltött részecskék elkezdenek megjeleníteni a második komponenst, a mágneses erőt., A részecskék mágneses mezőt hoznak létre körülöttük, ahogy mozognak. Tehát amikor az elektronok egy huzalon nagyítanak, hogy feltöltsék a számítógépet vagy a telefont, vagy bekapcsolják a TV-t, például a huzal mágnesessé válik.
kapcsolódó: hogyan működik a Nap mágneses mezője (Infographic)
Az elektromágneses erők a töltött részecskék között a tömeg nélküli, erőhordozó bozonok, úgynevezett fotonok cseréjével kerülnek átvitelre, amelyek szintén a fény részecskeösszetevői. Az erőhordozó fotonok, amelyek a töltött részecskék között cserélődnek, azonban, a fotonok eltérő megnyilvánulása., Ezek virtuális és észrevehetetlen, annak ellenére, hogy technikailag ugyanazok a részecskék, mint a valódi és kimutatható változat szerint a University of Tennessee, Knoxville.
Az elektromágneses erő felelős a leggyakrabban tapasztalt jelenségek: a súrlódás, a rugalmasság, a normál erő, az erő tartja szilárd együtt egy adott állapotban. Még a madarak, a repülőgépek, sőt a Superman repülés közben tapasztalt húzásáért is felelős. Ezek a műveletek az egymással kölcsönhatásba lépő töltött (vagy semlegesített) részecskék miatt fordulhatnak elő., A normál erő, amely egy könyvet egy asztal tetején tart (ahelyett, hogy a gravitáció a könyvet a földre húzza), például az elektronok következménye az asztal atomjaiban, amelyek taszítják az elektronokat a könyv atomjaiban.
az erős nukleáris erő
az erős nukleáris erő, amelyet erős nukleáris kölcsönhatásnak is neveznek, a természet négy alapvető erője közül a legerősebb. Ez 6 ezer billió billió billió trillió (ez 39 nulla 6 után!) szor erősebb, mint a gravitációs erő, szerint a HyperPhysics honlapján. Ez azért van, mert az anyag alapvető részecskéit összekapcsolja, hogy nagyobb részecskéket képezzen., Összetartja a protonokat és neutronokat alkotó kvarkokat, és az erős erő egy része egyben tartja az atom magjának protonjait és neutronjait is.
hasonlóan a gyenge erőhöz, az erős erő csak akkor működik, ha a szubatomi részecskék rendkívül közel vannak egymáshoz. Valahol 10^-15 méterre kell lenniük egymástól, vagy nagyjából egy proton átmérőjén belül, a HyperPhysics webhely szerint.
az erős erő azonban furcsa, mert a többi alapvető erőtől eltérően gyengébb lesz, mivel a szubatomi részecskék közelebb kerülnek egymáshoz., Valójában eléri a maximális szilárdságot, amikor a részecskék a legtávolabb vannak egymástól, Fermilab szerint. A hatótávolságon belül a gluonoknak nevezett tömeg nélküli töltött bozonok továbbítják az erős erőt a kvarkok között, és “ragasztva” tartják őket. A maradék erős erőnek nevezett erős erő apró töredéke a protonok és a neutronok között hat. A magban lévő protonok hasonló töltésük miatt taszítják egymást, de a maradék erős erő képes legyőzni ezt a repulziót, így a részecskék az atom magjában maradnak.,
Related: Nuclear Generators Power NASA Deep Space Probes (Infographic)
Unifying nature
a négy alapvető erő kiemelkedő kérdése az, hogy valójában a világegyetem egyetlen nagy erejének megnyilvánulása-e. Ha igen, akkor mindegyiknek képesnek kell lennie arra, hogy egyesüljön a többiekkel, és már van bizonyíték arra, hogy képesek.,
Sheldon Glashow és Steven Weinberg fizikusok a Harvard Egyetemről Abdus Salammal az Imperial College London-ból 1979-ben fizikai Nobel-díjat nyertek az elektromágneses erő egyesítéséért a gyenge erővel az elektroweak erő fogalmának kialakításához. Az úgynevezett grand unified elmélet megtalálásán dolgozó fizikusok célja az elektroweak erő egyesítése az erős erővel az elektronukleáris erő meghatározására, amelyet a modellek megjósoltak, de a kutatók még nem figyeltek meg., A puzzle utolsó darabja ezután szükségessé tenné a gravitáció egyesítését az elektronukleáris erővel, hogy fejlessze az úgynevezett elméletet, egy elméleti keretet, amely megmagyarázhatja az egész univerzumot.
A fizikusok azonban meglehetősen nehéznek találták a mikroszkopikus világ egyesítését a makroszkopikus világgal. Nagy, különösen csillagászati skálákon a gravitáció dominál, és ezt legjobban Einstein általános relativitáselmélete írja le. De molekuláris, atomi vagy szubatomi skálákon a kvantummechanika legjobban leírja a természetes világot., És eddig senki sem találta ki a módját, hogy egyesítse a két világot.
a kvantum gravitációt tanulmányozó fizikusok célja az erő leírása a kvantumvilág szempontjából, ami segíthet az egyesítésben., Ennek a megközelítésnek alapvető fontosságú lenne a gravitonok felfedezése, a gravitációs erő elméleti erőhordozó bozonja. A gravitáció az egyetlen alapvető erő, amelyet a fizikusok jelenleg erőhordozó részecskék használata nélkül írhatnak le. De mivel az összes többi alapvető erő leírása erőhordozó részecskéket igényel, a tudósok arra számítanak, hogy a gravitonoknak szubatomi szinten kell létezniük — a kutatók még nem találták meg ezeket a részecskéket.
tovább bonyolítja a történetet a sötét anyag és a sötét energia láthatatlan birodalma, amely az univerzum nagyjából 95% – át teszi ki., Nem világos, hogy a sötét anyag és az energia egyetlen részecskéből áll-e, vagy egy egész sor olyan részecskéből, amelyeknek saját erőik és hírvivő bozonjaik vannak.
az aktuális érdeklődésre számot tartó elsődleges hírvivő részecske az elméleti sötét foton, amely a látható és a láthatatlan univerzum közötti kölcsönhatásokat közvetíti. Ha léteznek sötét fotonok, akkor ezek lennének a kulcsa a sötét anyag láthatatlan világának felderítéséhez, és egy ötödik alapvető erő felfedezéséhez vezethetnek., Eddig azonban nincs bizonyíték arra, hogy léteznek sötét fotonok, és egyes kutatások erős bizonyítékot szolgáltattak arra, hogy ezek a részecskék nem léteznek.