Од шетње улицом, до лансирања ракете у свемир, до стављања магнета у ваш фрижидер, физичке силе делују свуда око нас. Али све снаге које свакодневно доживљавамо (а многе које не знамо да свакодневно доживљавамо) могу се спустити на само четири основне силе:
- Гравитација
- Слаба сила.
- Електромагнетизам.
- Снажна сила.
Они се називају четири темељне силе природе и они управљају свиме што се догађа у универзуму.
Гравитација
Гравитација је привлачност између два објекта који имају масу или енергију, било да се то види у паду стене са моста, планете у орбити око звезде или месеца што изазива океанске плиме. Гравитација је вероватно најинтуитивнија и најпознатија од основних сила, али то је такође било једно од најзахтевнијих за објаснити.
Исаац Невтон је први предложио идеју гравитације, која би наводно била инспирисана јабуком која је пала са стабла. Гравитацију је описао као дословно привлачење између два објекта. Вековима касније, Алберт Еинстеин је, кроз своју теорију опште релативности, сугерисао да гравитација није привлачност или сила. Уместо тога, то је последица савијања објеката у простору и времену. Велики предмет делује на простор-време помало као да велика лопта постављена на средину листа утиче на тај материјал, деформишући га и узрокујући да други, мањи предмети на листу падају ка средини.
Иако гравитација држи планете, звезде, соларни систем, па чак и галаксије заједно, испоставило се да је најслабија од основних сила, посебно на молекуларној и атомској скали. Размислите на овај начин: Колико је тешко подићи лопту са земље? Или да подигнете стопало? Или за скок? Све те акције сузбијају гравитацију целе Земље. А на молекуларном и атомском нивоу гравитација готово да и нема ефекта у односу на остале фундаменталне силе.
Слаба сила
Слаба сила, која се назива и слаба нуклеарна интеракција, одговорна је за распад честица. Ово је буквална промена једне врсте субатомских честица у другу. Тако, на пример, неутрино који залута близу неутрона може претворити неутрон у протон док неутрино постане електрон.
Физичари описују ову интеракцију разменом честица које носе силу зване бозони. Специфичне врсте бозона одговорне су за слабу силу, електромагнетну силу и јаку силу. У слабој сили, бозони су наелектрисане честице назване В и З бозони. Када субатомске честице, попут протона, неутрона и електрона, нађу се унутар 10 ^ -18 метара, или 0,1% пречника протона, једна од друге, оне могу размењивати ове бозоне. Као резултат тога, субатомске честице пропадају у нове честице, наводи се на веб локацији ХиперПхисицс са Универзитета Георгиа.
Слаба сила је критична за реакције нуклеарне фузије које напајају сунце и производе енергију потребну за већину животних форми овде на Земљи. То је и разлог зашто археолози могу да користе угљеник-14 за датирање древних костију, дрвета и других раније живих артефаката. Угљеник-14 има шест протона и осам неутрона; један од тих неутрона распада се у протон да би се створио азот-14, који има седам протона и седам неутрона. Ово пропадање догађа се предвидивом брзином, што омогућава научницима да утврде колико су стари такви артефакти.
Електромагнетна сила
Електромагнетна сила, која се још назива и Лорентзова сила, делује између наелектрисаних честица, попут негативно набијених електрона и позитивно наелектрисаних протона. Супротни набоји привлаче један другог, док се попут набоја одбијају. Што је веће наелектрисање, већа је и сила. И слично као гравитација, ова се сила може осећати са бесконачне удаљености (мада би сила била јако, врло мала на тој раздаљини).
Као што му име говори, електромагнетна сила се састоји из два дела: електричне силе и магнетне силе. У почетку су физичари описали ове силе као одвојене једна од друге, али су истраживачи касније схватили да су две компоненте исте силе.
Електрична компонента дјелује између набијених честица, било да се крећу или непомично, ствара поље помоћу којег набоји могу утјецати једни на друге. Али једном када се покрену, те наелектрисане честице почињу да приказују другу компоненту, магнетну силу. Честице стварају магнетно поље око себе док се крећу. Тако, на пример, када електрони зумирају жицом да би напунили рачунар или телефон или укључили телевизор, жица постаје магнетна.
Електромагнетне силе се преносе између наелектрисаних честица разменом безмасних, носивих сила који се називају фотони, који су уједно и честице светлости. Међутим, фотони који носе силу и који се мењају између набијених честица су различита манифестација фотона. Они су виртуелни и неприметни, иако су технички исте честице као права и откривена верзија, према Универзитету Тенесија, Кноквилле.
Електромагнетна сила је одговорна за неке од најчешће искусних појава: трење, еластичност, нормалну силу и силу која чврсто држи чврстине у датом облику. Чак је одговоран и за вучу коју птице, авиони, па чак и Суперман доживљавају током лета. Ове акције се могу догодити због наелектрисаних (или неутрализованих) честица које међусобно делују. На пример, нормална сила која држи књигу изнад стола (уместо да гравитација вуче књигу на земљу), на пример, последица је што електрони у атомима таблице одбијају електроне у атомима књиге.
Јака нуклеарна сила
Снажна нуклеарна сила, која се назива и снажна нуклеарна интеракција, најјача је од четири фундаменталне силе природе. То је 6 хиљада билиона билиона (то је 39 нула након 6!) Пута јаче од силе гравитације, наводи се на веб локацији ХиперПхисицс. И то зато што повезује основне честице материје заједно да формирају веће честице. У њему се налазе кваркови који чине протоне и неутроне, а део јаке силе такође држи протоне и неутроне језгре атома.
Као и слаба сила, јака сила делује само кад су субатомске честице изузетно близу једна другој. Они морају бити негде на удаљености од 10 до 15 метара, или отприлике у пречнику протона, према веб локацији ХиперПхисицс.
Снажна сила је необична, јер за разлику од било које друге основне силе, она постаје слабија како се субатомске честице приближавају једна другој. Она заправо достиже максималну снагу када су честице најудаљеније једна од друге, према Фермилабу. Једном у домету, безмасно набијени бозони звани глуони преносе јаку силу између кваркова и држе их да се "залепе" заједно. Мали дио јаке силе зване преостала јака сила дјелује између протона и неутрона. Протони у језгру одбијају један другог због сличног набоја, али преостала јака сила може превазићи ово одбијање, па честице остају везане у језгру атома.
Обједињујућа природа
Отворено питање четири темељне силе је да ли су они заправо манифестације само једне велике силе универзума. Ако је то случај, сваки од њих требало би да се споји са осталима, а већ постоје докази да могу.
Физичари Схелдон Гласхов и Стевен Веинберг са Универзитета Харвард заједно с Абдусом Саламом с Империал Цоллеге Лондон освојили су Нобелову награду за физику 1979. Физичари који раде на проналажењу такозване велике обједињене теорије имају за циљ да уједине електроактивну силу са јаком силом за дефинисање електронуклеарне силе, што су модели предвиђали, али истраживачи то још нису приметили. Завршни део слагалице би тада захтевао обједињавање гравитације са електронуклеарном силом да би се развила такозвана теорија свега, теоријски оквир који би могао да објасни читав универзум.
Међутим, физичарима је било прилично тешко спојити микроскопски свет са макроскопским. На великим и нарочито астрономским размерама, гравитација доминира и најбоље је описана Еинстеиновом теоријом опште релативности. Али на молекуларној, атомској или субатомској скали квантна механика најбоље описује природни свет. И до сада нико није смислио добар начин да споји та два света.
Физичари који проучавају квантну гравитацију имају за циљ да опишу силу у смислу квантног света, што би могло помоћи у спајању. Темељно за тај приступ било би откриће гравитона, теоријског бозона гравитационе силе. Гравитација је једина основна сила коју физичари тренутно могу описати без употребе честица које носе силу. Али будући да описи свих осталих основних сила захтевају честице које носе силу, научници очекују да гравитони морају постојати на субатомском нивоу - истраживачи једноставно још нису пронашли ове честице.
Даљња компликација приче је невидљива област тамне материје и тамне енергије, који чине око 95% универзума. Није јасно да ли се тамна материја и енергија састоје од једне честице или целог низа честица које имају своје снаге и гласнике.
Примарна честица гласника тренутног интереса је теоријски тамни фотон, који би посредовао интеракције између видљивог и невидљивог универзума. Ако постоје тамни фотони, они би били кључ за откривање невидљивог света тамне материје и могли би довести до открића пете фундаменталне силе. За сада, међутим, нема доказа да тамни фотони постоје, а нека истраживања су пружила снажне доказе да те честице не постоје.
