Od chůze po ulici, vypuštění rakety do vesmíru, přilepení magnetu na lednici všude kolem nás působí fyzické síly. Ale všechny síly, které prožíváme každý den (a mnoho, které si neuvědomujeme, že prožíváme každý den), lze omezit na čtyři základní síly:
- Gravitace.
- Slabá síla.
- Elektromagnetismus.
- Silná síla.
Říká se jim čtyři základní přírodní síly a řídí vše, co se děje ve vesmíru.
Gravitace
Gravitace je přitažlivost mezi dvěma objekty, které mají hmotu nebo energii, ať už je to vidět při pádu skály z mostu, planety obíhající kolem hvězdy nebo měsíce způsobující přílivy oceánu. Gravitace je pravděpodobně nejintuitivnější a nejznámější ze základních sil, ale je také jedním z nejnáročnějších vysvětlit.
Isaac Newton jako první navrhl myšlenku gravitace, údajně inspirovanou jablkem padajícím ze stromu. Gravitaci popsal jako doslovnou přitažlivost mezi dvěma objekty. O staletí později Albert Einstein prostřednictvím své teorie obecné relativity navrhl, že gravitace není přitažlivost nebo síla. Místo toho je to důsledek ohýbání objektů v prostoru a čase. Velký objekt pracuje časově trochu jako to, jak velká koule umístěná uprostřed listu ovlivňuje tento materiál, deformuje jej a způsobuje, že další menší objekty na listu padají směrem do středu.
Ačkoli gravitace drží planety, hvězdy, sluneční soustavy a dokonce i galaxie pohromadě, ukázalo se, že je nejslabší ze základních sil, zejména na molekulární a atomové stupnici. Přemýšlejte o tom tímto způsobem: Jak těžké je zvednout míč ze země? Nebo zvednout nohu? Nebo skočit? Všechny tyto akce působí proti gravitaci celé Země. A na molekulární a atomové úrovni nemá gravitace ve srovnání s ostatními základními silami téměř žádný účinek.
Slabá síla
Slabá síla, také nazývaná slabá jaderná interakce, je zodpovědná za rozpad částic. Toto je doslovná změna jednoho typu subatomické částice na jiný. Tak například neutrino, které zabloudí blízko neutronu, může z neutronu udělat proton, zatímco neutrino se stane elektronem.
Fyzici popisují tuto interakci výměnou částic nesoucích sílu zvaných bosony. Specifické druhy bosonů jsou zodpovědné za slabou sílu, elektromagnetickou sílu a silnou sílu. Ve slabé síle jsou bosony nabité částice zvané W a Z bosony. Když subatomické částice, jako jsou protony, neutrony a elektrony, leží ve vzdálenosti 10 až 18 metrů nebo 0,1% průměru protonu, mohou tyto bosony vyměnit. Výsledkem je, že subatomické částice se rozpadají na nové částice, podle webu HyperPhysics Georgia State University.
Slabá síla je rozhodující pro reakce jaderné fúze, které pohání slunce a produkují energii potřebnou pro většinu životních forem zde na Zemi. To je také důvod, proč archeologové mohou používat uhlík-14 k dnešnímu dni staré kosti, dřevo a další dříve žijící artefakty. Uhlík-14 má šest protonů a osm neutronů; jeden z těchto neutronů se rozpadne na proton a vytvoří dusík-14, který má sedm protonů a sedm neutronů. K tomuto úpadku dochází předvídatelným tempem, což vědcům umožňuje určit, jak staré jsou takové artefakty.
Elektromagnetická síla
Elektromagnetická síla, také nazývaná Lorentzova síla, působí mezi nabitými částicemi, jako negativně nabité elektrony a pozitivně nabité protony. Opačné poplatky přitahují jeden druhého, zatímco jako poplatky se odrazí. Čím větší je náboj, tím větší je síla. A podobně jako gravitace lze tuto sílu pociťovat z nekonečné vzdálenosti (i když síla by byla v této vzdálenosti velmi, velmi malá).
Jak již název napovídá, elektromagnetická síla se skládá ze dvou částí: elektrické síly a magnetické síly. Fyzici nejprve popsali tyto síly jako oddělené jeden od druhého, ale vědci si později uvědomili, že tyto dvě složky jsou komponenty stejné síly.
Elektrická součástka působí mezi nabitými částicemi, ať už se pohybují nebo stojí, čímž vytváří pole, pomocí kterého se mohou náboje navzájem ovlivňovat. Jakmile se však tyto nabité částice uvedou do pohybu, začnou zobrazovat druhou složku, magnetickou sílu. Částice vytvářejí kolem sebe magnetické pole, když se pohybují. Když se například elektrony přiblíží drátem a nabijí počítač nebo telefon nebo zapnou televizor, drát se stane magnetickým.
Elektromagnetické síly jsou přenášeny mezi nabitými částicemi prostřednictvím výměny bezhmotných sil nesících bosony zvané fotony, které jsou také částečkami světla. Síly nesoucí fotony, které se vyměňují mezi nabitými částicemi, jsou však odlišným projevem fotonů. Podle University of Tennessee v Knoxville jsou virtuální a nezjistitelné, i když jsou technicky stejnými částicemi jako skutečná a detekovatelná verze.
Elektromagnetická síla je odpovědná za některé z nejčastěji se vyskytujících jevů: tření, elasticita, normální síla a síla, která drží pevné látky pohromadě v daném tvaru. Je dokonce zodpovědný za odpor, který ptáci, letadla a dokonce i Superman zažívají za letu. K těmto činnostem může dojít v důsledku vzájemného působení nabitých (nebo neutralizovaných) částic. Normální síla, která drží knihu na vrcholu stolu (místo gravitace, která knihu táhne k zemi), je například důsledkem elektronů v atomech tabulky, které odpuzují elektrony v atomech knihy.
Silná jaderná síla
Silná jaderná síla, také nazývaná silná jaderná interakce, je nejsilnější ze čtyř základních přírodních sil. Podle webu HyperPhysics je to 6 000 bilionů bilionů bilionů (to je 39 nula po 6!) Krát silnějších než gravitační síla. A to proto, že spojuje základní částice hmoty k vytvoření větších částic. Drží pohromadě kvarky, které tvoří protony a neutrony, a část silné síly také udržuje protony a neutrony atomového jádra pohromadě.
Podobně jako slabá síla působí silná síla pouze tehdy, jsou-li subatomické částice velmi blízko sebe. Podle webu HyperPhysics musí být někde ve vzdálenosti 10 ^ - 15 metrů od sebe nebo zhruba v průměru protonu.
Silná síla je však zvláštní, protože na rozdíl od ostatních základních sil se oslabuje, když se subatomární částice přibližují k sobě. Ve skutečnosti dosahuje maximální síly, když jsou částice od sebe nejdále od sebe, podle Fermilab. Jakmile je v dosahu, masové nabité bosony zvané gluony přenášejí silnou sílu mezi kvarky a udržují je „slepené“ pohromadě. Malý zlomek silné síly nazývané zbytková silná síla působí mezi protony a neutrony. Protony v jádru se navzájem odpuzují kvůli jejich podobnému náboji, ale zbytková silná síla může tento odpor odrazit, takže částice zůstávají vázány v atomovém jádru.
Sjednocující příroda
Vynikající otázkou čtyř základních sil je, zda jsou ve skutečnosti projevy jediné velké síly vesmíru. Pokud ano, každý z nich by měl být schopen spojit se s ostatními a existuje již důkaz, že to dokážou.
Fyzici Sheldon Glashow a Steven Weinberg z Harvardovy univerzity s Abdusem Salamem z Imperial College London získali Nobelovu cenu za fyziku v roce 1979 za sjednocení elektromagnetické síly se slabou silou, aby vytvořili koncept elektroslabé síly. Fyzici, kteří se snaží najít tzv. Velkou sjednocenou teorii, mají za cíl sjednotit elektroslabou sílu se silnou silou, aby definovali elektronukleární sílu, kterou modely předpověděly, ale vědci ji dosud nepozorovali. Poslední část skládačky by pak vyžadovala sjednocení gravitace s elektronovou jadernou silou, aby se vyvinula tzv. Teorie všeho, teoretický rámec, který by mohl vysvětlit celý vesmír.
Fyzici však zjistili, že je velmi obtížné spojit mikroskopický svět s makroskopickým světem. Ve velkých a zejména astronomických měřítcích dominuje gravitace a nejlépe ji popisuje Einsteinova teorie obecné relativity. Ale na molekulární, atomové nebo subatomické stupnici kvantová mechanika nejlépe popisuje přírodní svět. Zatím nikdo nepřišel s dobrým způsobem, jak tyto dva světy sloučit.
Fyzici studující kvantovou gravitaci mají za cíl popsat sílu z hlediska kvantového světa, který by mohl pomoci s sloučením. Základem tohoto přístupu by byl objev gravitonů, teoretický boson gravitační síly přenášející síly. Gravitace je jediná základní síla, kterou mohou fyzici v současné době popsat bez použití částic přenášejících sílu. Ale protože popisy všech ostatních základních sil vyžadují částice přenášející síly, vědci očekávají, že gravitony musí existovat na subatomické úrovni - vědci tyto částice ještě nenašli.
Dalším komplikováním příběhu je neviditelná oblast temné hmoty a temné energie, která tvoří zhruba 95% vesmíru. Není jasné, zda temná hmota a energie sestávají z jediné částice nebo celé sady částic, které mají své vlastní síly a poslové bosony.
Primární částice posla aktuálního zájmu je teoretický temný foton, který by zprostředkoval interakce mezi viditelným a neviditelným vesmírem. Pokud by existovaly temné fotony, byly by klíčem k odhalení neviditelného světa temné hmoty a mohly by vést k objevení páté základní síly. Zatím však neexistuje důkaz, že temné fotony existují, a některé výzkumy nabízejí silný důkaz, že tyto částice neexistují.
