od chodzenia po ulicy, do wystrzelenia rakiety w kosmos, do przyklejenia magnesu do lodówki, siły fizyczne działają wokół nas. Ale wszystkie siły, których doświadczamy każdego dnia (i wiele z nich, o których nie zdajemy sobie sprawy, że doświadczamy każdego dnia), można ograniczyć do zaledwie czterech podstawowych sił:
- grawitacji.
- słaba siła.
- elektromagnetyzm.
- mocna siła.
są to cztery podstawowe siły natury, które rządzą wszystkim, co dzieje się we wszechświecie.,
grawitacja
grawitacja jest przyciąganiem dwóch obiektów, które mają masę lub energię, niezależnie od tego, czy jest to widoczne w zrzuceniu skały z mostu, planety krążącej wokół gwiazdy lub księżyca, powodując pływy oceaniczne. Grawitacja jest prawdopodobnie najbardziej intuicyjna i znana z podstawowych sił, ale była również jedną z najtrudniejszych do wyjaśnienia.
Isaac Newton jako pierwszy zaproponował ideę grawitacji, rzekomo inspirowaną jabłkiem spadającym z drzewa. Opisał grawitację jako dosłowne przyciąganie między dwoma obiektami., Wieki później Albert Einstein zasugerował, poprzez swoją teorię ogólnej teorii względności, że grawitacja nie jest przyciąganiem ani siłą. Zamiast tego, jest to konsekwencja obiektów wyginających czasoprzestrzeń. Duży obiekt działa na czasoprzestrzeń trochę jak duża kula umieszczona na środku arkusza wpływa na ten materiał, deformując go i powodując, że inne, mniejsze obiekty na arkuszu spadają w kierunku środka.
chociaż grawitacja utrzymuje planety, gwiazdy, układy słoneczne, a nawet galaktyki razem, okazuje się najsłabszą z podstawowych sił, zwłaszcza w skali molekularnej i atomowej., Pomyśl o tym w ten sposób: jak trudno jest podnieść piłkę z ziemi? Albo podnieść stopę? Czy skoczyć? Wszystkie te działania przeciwdziałają grawitacji całej Ziemi. A na poziomie molekularnym i atomowym grawitacja nie ma prawie żadnego wpływu w stosunku do innych sił podstawowych.
Related: 6 codziennych rzeczy, które dzieją się dziwnie w przestrzeni
słaba siła
słaba siła, zwana także słabą interakcją jądrową, jest odpowiedzialna za rozpad cząstek. Jest to dosłowna zmiana jednego typu cząstek subatomowych w inny., Na przykład neutrino, które zbliży się do neutronu, może przekształcić neutron w proton, podczas gdy neutrino staje się elektronem.
fizycy opisują to oddziaływanie poprzez wymianę cząstek przenoszących siły zwanych bozonami. Specyficzne rodzaje bozonów są odpowiedzialne za słabą siłę, siłę elektromagnetyczną i silną siłę. W sile słabej bozony są naładowanymi cząstkami zwanymi bozonami W i Z. Gdy cząstki subatomowe, takie jak protony, neutrony i elektrony znajdują się w odległości 10^-18 metrów, czyli 0,1% średnicy protonu, mogą wymieniać te bozony., W rezultacie, subatomowe cząstki rozpadają się na nowe cząstki, według strony internetowej Georgia State University HyperPhysics.
słaba siła jest krytyczna dla reakcji fuzji jądrowej, które zasilają słońce i wytwarzają energię potrzebną dla większości form życia na Ziemi. Dlatego też archeolodzy mogą wykorzystać węgiel-14 do daty starożytnych kości, drewna i innych dawniej żywych artefaktów. Węgiel-14 ma sześć protonów i osiem neutronów; jeden z nich rozpada się w proton, tworząc azot-14, który ma siedem protonów i siedem neutronów., Rozkład ten zachodzi w przewidywalnym tempie, pozwalając naukowcom określić, jak Stare są takie artefakty.
siła elektromagnetyczna
siła elektromagnetyczna, zwana również siłą Lorentza, działa między naładowanymi cząstkami, jak ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane protony. Przeciwne ładunki przyciągają się nawzajem, podczas gdy podobne ładunki odpychają. Im większy ładunek, tym większa siła. I podobnie jak grawitacja, siła ta może być odczuwalna z nieskończonej odległości (choć Siła byłaby bardzo, bardzo mała na tej odległości).,
jak sama nazwa wskazuje, siła elektromagnetyczna składa się z dwóch części: siły elektrycznej i siły magnetycznej. Początkowo fizycy opisywali te siły jako odrębne od siebie, ale później naukowcy zdali sobie sprawę, że te dwa składniki są składnikami tej samej siły.
komponent elektryczny działa między naładowanymi cząstkami, niezależnie od tego, czy są one ruchome, czy nieruchome, tworząc pole, przez które ładunki mogą wpływać na siebie nawzajem. Ale po uruchomieniu, te naładowane cząstki zaczynają wyświetlać drugi składnik, siłę magnetyczną., Cząstki tworzą wokół siebie pole magnetyczne podczas ruchu. Więc kiedy elektrony powiększają się przez przewód, aby naładować komputer lub telefon lub włączyć TELEWIZOR, na przykład, przewód staje się magnetyczny.
Related: jak działa pole magnetyczne słońca (Infografika)
siły elektromagnetyczne są przenoszone między naładowanymi cząstkami poprzez wymianę bezmasowych, przenoszących siłę bozonów zwanych fotonami, które są również cząstkowymi składnikami światła. Fotony przenoszące siłę, które zmieniają się między naładowanymi cząstkami, są jednak inną manifestacją fotonów., Są one wirtualne i niewykrywalne, mimo że są technicznie tymi samymi cząstkami, co prawdziwa i wykrywalna wersja, według University of Tennessee, Knoxville.
siła elektromagnetyczna jest odpowiedzialna za niektóre z najczęściej doświadczanych zjawisk: tarcie, sprężystość, siłę normalną i siłę trzymającą ciała stałe razem w danym kształcie. Jest nawet odpowiedzialny za opór, którego doświadczają ptaki, samoloty, a nawet Superman podczas lotu. Działania te mogą wystąpić z powodu naładowanych (lub zneutralizowanych) cząstek oddziałujących ze sobą., Normalna siła, która utrzymuje książkę na stole (zamiast grawitacji ciągnącej książkę do ziemi), na przykład, jest konsekwencją elektronów w atomach stołu odpychających elektrony w atomach książki.
abela (zamiast grawitacji ciągnącej książkę do ziemi) jest konsekwencją siły elektromagnetycznej: elektrony w atomach tabeli odpychają elektrony w atomach książki., (Image credit: NASA/)
silna siła jądrowa
silna siła jądrowa, zwana także silną interakcją jądrową, jest najsilniejszą z czterech podstawowych sił natury. To 6 tysięcy bilionów bilionów bilionów (czyli 39 zer po 6!) razy silniejsza niż siła grawitacji, według strony HyperPhysics. A to dlatego, że łączy podstawowe cząstki materii, tworząc większe cząstki., Trzyma razem kwarki, które tworzą protony i neutrony, a część silnej siły utrzymuje również protony i neutrony jądra atomu razem.
podobnie jak siła słaba, siła silna działa tylko wtedy, gdy cząstki subatomowe są bardzo blisko siebie. Według strony internetowej HyperPhysics muszą znajdować się w odległości około 10^-15 metrów od siebie, lub mniej więcej w średnicy protonu.
silna siła jest jednak dziwna, ponieważ w przeciwieństwie do innych podstawowych sił, słabnie, gdy cząstki subatomowe zbliżają się do siebie., W rzeczywistości osiąga maksymalną siłę, gdy cząstki są najdalej od siebie, zgodnie z Fermilab. Bezmasowe naładowane bozony zwane gluonami przenoszą silną siłę między kwarkami i utrzymują je „sklejone” razem. Pomiędzy protonami i neutronami działa niewielka część silnej siły zwanej siłą resztkową. Protony w jądrze odpychają się ze względu na podobny ładunek, ale resztkowa silna siła może przezwyciężyć ten odpych, więc cząstki pozostają związane w jądrze atomu.,
Related: Generatory jądrowe zasilają sondy kosmiczne NASA (Infografika)
jednocząca natura
nierozerwalnym pytaniem czterech podstawowych sił jest to, czy rzeczywiście są one manifestacjami tylko jednej wielkiej siły wszechświata. Jeśli tak, każdy z nich powinien być w stanie połączyć się z innymi, a są już dowody, że mogą.,
fizycy Sheldon Glashow i Steven Weinberg z Uniwersytetu Harvarda i Abdus Salam z Imperial College London otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1979 roku za połączenie siły elektromagnetycznej ze słabą siłą, tworząc koncepcję siły elektroweak. Fizycy pracujący nad znalezieniem tzw. wielkiej Zjednoczonej teorii dążą do połączenia siły elektrozaczepu z silną siłą do zdefiniowania siły elektronuklearnej, której modele przewidywały, ale badacze jeszcze nie zaobserwowali., Ostatni element układanki wymagałby połączenia grawitacji z siłą elektronuklearną w celu opracowania tzw. teorii wszystkiego, teoretycznych ram, które mogłyby wyjaśnić cały wszechświat.
fizykom trudno jednak połączyć świat mikroskopowy z makroskopowym. W dużych, a zwłaszcza astronomicznych skalach, dominuje grawitacja i jest najlepiej opisana przez ogólną teorię względności Einsteina. Ale w skali molekularnej, atomowej lub subatomowej mechanika kwantowa najlepiej opisuje świat przyrody., I jak dotąd, nikt nie wymyślił dobrego sposobu, aby połączyć te dwa światy.
iły w ramach jednej, jednolitej teorii — ramy teoretyczne, które mogłyby wyjaśnić cały wszechświat. (Image credit: )
fizycy badający grawitację kwantową mają na celu opisanie siły w kategoriach świata kwantowego, co może pomóc w połączeniu., Fundamentalne dla tego podejścia byłoby odkrycie grawitonów, teoretycznego bozonu przenoszącego siłę grawitacji. Grawitacja jest jedyną podstawową siłą, którą fizycy mogą obecnie opisać bez użycia cząstek przenoszących siłę. Ponieważ jednak opisy wszystkich innych sił fundamentalnych wymagają cząstek przenoszących siły, naukowcy oczekują, że grawitony muszą istnieć na poziomie subatomowym — naukowcy jeszcze nie znaleźli tych cząstek.
dodatkowo komplikuje historię niewidzialna sfera ciemnej materii i ciemnej energii, które stanowią około 95% wszechświata., Nie jest jasne, czy ciemna materia i energia składają się z pojedynczej cząstki, czy też całego zestawu cząstek, które mają swoje własne siły i bozony posłańcze.
podstawową cząstką Posłańca o obecnym zainteresowaniu jest teoretyczny ciemny Foton, który pośredniczy w interakcjach między widzialnym i niewidzialnym wszechświatem. Gdyby istniały ciemne fotony, byłyby kluczem do wykrycia niewidzialnego świata ciemnej materii i mogłyby doprowadzić do odkrycia piątej podstawowej siły., Jak dotąd jednak nie ma dowodów na istnienie ciemnych fotonów, a niektóre badania dały mocne dowody na to, że te cząstki nie istnieją.