van het lopen op straat, tot het lanceren van een raket in de ruimte, tot het plakken van een magneet op je koelkast, fysieke krachten werken overal om ons heen. Maar alle krachten die we elke dag ervaren (en veel waarvan we niet beseffen dat we elke dag ervaren) kunnen worden teruggebracht tot slechts vier fundamentele krachten:
- zwaartekracht.
- de zwakke kracht.
- elektromagnetisme.
- de sterke kracht.
deze worden de vier fundamentele natuurkrachten genoemd, en zij beheersen alles wat in het universum gebeurt.,
zwaartekracht
zwaartekracht is de aantrekking tussen twee objecten die massa of energie hebben, of dit nu wordt gezien bij het laten vallen van een steen van een brug, een planeet die om een ster draait of de maan die oceaangetijden veroorzaakt. Zwaartekracht is waarschijnlijk de meest intuïtieve en bekende van de fundamentele krachten, maar het is ook een van de meest uitdagende om uit te leggen.Isaac Newton was de eerste die het idee van zwaartekracht voorstelde, vermoedelijk geïnspireerd door een appel die van een boom viel. Hij beschreef zwaartekracht als een letterlijke aantrekking tussen twee objecten., Eeuwen later suggereerde Albert Einstein, door zijn algemene relativiteitstheorie, dat zwaartekracht geen aantrekking of kracht is. In plaats daarvan is het een gevolg van objecten die ruimte-tijd buigen. Een groot object werkt op de ruimte-tijd een beetje zoals een grote bal in het midden van een blad beïnvloedt dat materiaal, vervormen het en waardoor andere, kleinere objecten op het blad naar het midden vallen. hoewel zwaartekracht planeten, sterren, zonnestelsels en zelfs sterrenstelsels bij elkaar houdt, blijkt het de zwakste van de fundamentele krachten te zijn, vooral op moleculaire en atomaire schaal., Zie het zo: hoe moeilijk is het om een bal van de grond te tillen? Of om je voet op te tillen? Of om te springen? Al die acties gaan de zwaartekracht van de hele aarde tegen. Op moleculair en atomair niveau heeft zwaartekracht bijna geen effect ten opzichte van de andere fundamentele krachten.
gerelateerd: 6 alledaagse dingen die vreemd gebeuren in de ruimte
de zwakke kracht
de zwakke kracht, ook wel de zwakke kerninteractie genoemd, is verantwoordelijk voor deeltjesverval. Dit is de letterlijke verandering van een type subatomair deeltje in een ander., Dus, bijvoorbeeld, een neutrino dat rond een neutron afdwaalt kan het neutron veranderen in een proton terwijl het neutrino een elektron wordt.
natuurkundigen beschrijven deze interactie door de uitwisseling van krachtdragende deeltjes die bosonen worden genoemd. Specifieke soorten bosonen zijn verantwoordelijk voor de zwakke kracht, elektromagnetische kracht en sterke kracht. In de zwakke kracht zijn de bosonen geladen deeltjes die W-en Z-bosonen worden genoemd. Wanneer subatomaire deeltjes zoals protonen, neutronen en elektronen binnen 10^-18 meter, of 0,1% van de diameter van een proton, van elkaar komen, kunnen ze deze bosonen uitwisselen., Als gevolg daarvan, de subatomaire deeltjes verval in nieuwe deeltjes, volgens de Georgia State University HyperPhysics website.
de zwakke kracht is van cruciaal belang voor de kernfusiereacties die de zon aandrijven en de energie produceren die nodig is voor de meeste levensvormen hier op aarde. Het is ook de reden waarom archeologen koolstof-14 kunnen gebruiken om oude botten, hout en andere voorheen levende artefacten te dateren. Koolstof-14 heeft zes protonen en acht neutronen; een van die neutronen vervalt in een proton om stikstof-14 te maken, die zeven protonen en zeven neutronen heeft., Dit verval gebeurt in een voorspelbaar tempo, waardoor wetenschappers kunnen bepalen hoe oud dergelijke artefacten zijn.
elektromagnetische kracht
De elektromagnetische kracht, ook wel de lorentzkracht genoemd, werkt tussen geladen deeltjes, zoals negatief geladen elektronen en positief geladen protonen. Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, terwijl als ladingen afstoten. Hoe groter de lading, hoe groter de kracht. En net als de zwaartekracht, kan deze kracht worden gevoeld vanaf een oneindige afstand (hoewel de kracht heel, heel klein zou zijn op die afstand).,
zoals de naam al aangeeft, bestaat de elektromagnetische kracht uit twee delen: de elektrische kracht en de magnetische kracht. Aanvankelijk beschreven natuurkundigen deze krachten als los van elkaar, maar onderzoekers realiseerden zich later dat de twee componenten van dezelfde kracht zijn.
De elektrische component werkt tussen geladen deeltjes, of ze nu bewegen of stilzitten, waardoor een veld ontstaat waardoor de ladingen elkaar kunnen beïnvloeden. Maar eenmaal in beweging gezet, beginnen die geladen deeltjes de tweede component weer te geven, de magnetische kracht., De deeltjes creëren een magnetisch veld om hen heen terwijl ze bewegen. Dus als elektronen door een draad zoomen om bijvoorbeeld je computer of telefoon op te laden of je TV aan te zetten, wordt de draad magnetisch.
gerelateerd: hoe het magnetisch veld van de zon werkt (Infographic)
elektromagnetische krachten worden overgedragen tussen geladen deeltjes door de uitwisseling van massaloze, krachtdragende bosonen, fotonen genaamd, die ook de deeltjescomponenten van licht zijn. De krachtdragende fotonen die tussen geladen deeltjes wisselen, zijn echter een andere manifestatie van fotonen., Ze zijn virtueel en niet op te sporen, ook al zijn ze technisch dezelfde deeltjes als de echte en detecteerbare versie, volgens de Universiteit van Tennessee, Knoxville.
De elektromagnetische kracht is verantwoordelijk voor enkele van de meest voorkomende verschijnselen: wrijving, elasticiteit, de normale kracht en de kracht die vaste stoffen in een bepaalde vorm bij elkaar houdt. Het is zelfs verantwoordelijk voor de sleep die vogels, vliegtuigen en zelfs Superman ervaren tijdens het vliegen. Deze acties kunnen optreden als gevolg van geladen (of geneutraliseerde) deeltjes interactie met elkaar., De normale kracht die een boek boven op een tafel houdt (in plaats van dat de zwaartekracht het boek naar de grond trekt), bijvoorbeeld, is een gevolg van elektronen in de atomen van de tabel die elektronen in de atomen van het boek afstoten.
de sterke kernkracht
de sterke kernkracht, ook wel de sterke kerninteractie genoemd, is de sterkste van de vier fundamentele natuurkrachten. Het is 6 duizend biljoen biljoen biljoen biljoen (dat is 39 nullen na 6!) keer sterker dan de zwaartekracht, volgens de HyperPhysics website. Dat komt omdat het de fundamentele deeltjes van materie samenbindt om grotere deeltjes te vormen., Het houdt de quarks samen die protonen en neutronen vormen, en een deel van de sterke kracht houdt ook de protonen en neutronen van de kern van een atoom samen.
net als de zwakke kracht werkt de sterke kracht alleen wanneer subatomaire deeltjes zeer dicht bij elkaar staan. Ze moeten ergens binnen 10^-15 meter van elkaar zijn, of ongeveer binnen de diameter van een proton, volgens de HyperPhysics website.
de sterke kracht is echter vreemd, omdat deze, in tegenstelling tot de andere fundamentele krachten, zwakker wordt naarmate subatomaire deeltjes dichter bij elkaar bewegen., Het bereikt eigenlijk maximale sterkte wanneer de deeltjes het verst van elkaar verwijderd zijn, volgens Fermilab. Eenmaal binnen het bereik brengen massaloos geladen bosonen, gluonen genaamd, de sterke kracht tussen quarks door en houden ze aan elkaar vastgelijmd. Een fractie van de sterke kracht, de restkracht, werkt tussen protonen en neutronen. Protonen in de kern stoten elkaar af vanwege hun soortgelijke lading, maar de resterende sterke kracht kan deze afstoting overwinnen, zodat de deeltjes gebonden blijven in de kern van een atoom.,
gerelateerd: Nuclear Generators Power NASA Deep Space sondes (Infographic)
verenigende natuur
de openstaande vraag van de vier fundamentele krachten is of ze eigenlijk manifestaties zijn van slechts één grote kracht van het universum. Als dat zo is, zou elk van hen in staat moeten zijn om samen te smelten met de anderen, en er is al bewijs dat ze dat kunnen., natuurkundigen Sheldon Glashow en Steven Weinberg van Harvard University en Abdus Salam van Imperial College London wonnen de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1979 voor het verenigen van de elektromagnetische kracht met de zwakke kracht om het concept van de elektrozwakke kracht te vormen. Natuurkundigen die werken aan een zogenaamde grand unified theory willen de elektrozwakke kracht verenigen met de sterke kracht om een elektronucleaire kracht te definiëren, die modellen hebben voorspeld maar onderzoekers nog niet hebben waargenomen., Het laatste stukje van de puzzel zou dan nodig zijn om de zwaartekracht te verenigen met de elektronucleaire kracht om de zogenaamde theorie van alles te ontwikkelen, een theoretisch kader dat het hele universum zou kunnen verklaren.
natuurkundigen vonden het echter vrij moeilijk om de microscopische wereld met de macroscopische samen te voegen. Op grote en vooral astronomische schaal domineert zwaartekracht en wordt het best beschreven door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Maar op moleculaire, atomaire of subatomaire schaal beschrijft kwantummechanica het best de natuurlijke wereld., En tot nu toe heeft niemand een goede manier gevonden om die twee werelden samen te voegen.
natuurkundigen die kwantumzwaartekracht bestuderen, willen de kracht beschrijven in termen van de kwantumwereld, wat zou kunnen helpen bij de samenvoeging., Fundamenteel voor die benadering zou de ontdekking van gravitonen zijn, de theoretische krachtdragende boson van de gravitatiekracht. Zwaartekracht is de enige fundamentele kracht die natuurkundigen op dit moment kunnen beschrijven zonder gebruik te maken van krachtdragende deeltjes. Maar omdat beschrijvingen van alle andere fundamentele krachten krachtdragende deeltjes vereisen, verwachten wetenschappers dat gravitonen op subatomair niveau moeten bestaan-onderzoekers hebben deze deeltjes alleen nog niet gevonden.
verder complicerend is het onzichtbare rijk van donkere materie en donkere energie, die ruwweg 95% van het heelal uitmaken., Het is onduidelijk of donkere materie en energie bestaan uit een enkel deeltje of een hele set deeltjes die hun eigen krachten en boodschapper bosonen hebben.
het primaire messenger-deeltje van actueel belang is het theoretische donkere foton, dat interacties tussen het zichtbare en onzichtbare universum zou bemiddelen. Als donkere fotonen bestaan, zouden ze de sleutel zijn tot het detecteren van de onzichtbare wereld van donkere materie en zou kunnen leiden tot de ontdekking van een vijfde fundamentele kracht., Tot nu toe is er echter geen bewijs dat donkere fotonen bestaan, en sommige onderzoeken hebben sterk bewijs geleverd dat deze deeltjes niet bestaan.