Sākot ar iešanu uz ielas, raķetes palaišanu kosmosā, magnēta piestiprināšanu pie ledusskapja, fiziskie spēki darbojas mums visapkārt. Bet visus spēkus, kurus mēs piedzīvojam katru dienu (un daudzus, kurus mēs nemaz neapzināmies, ka piedzīvojam katru dienu), var sadalīt tikai četros pamata spēkos:
- Smagums.
- Vājais spēks.
- Elektromagnētisms.
- Spēcīgais spēks.
Tos sauc par četriem pamata dabas spēkiem, un tie pārvalda visu, kas notiek Visumā.
Smagums
Smagums ir pievilcība starp diviem objektiem, kuriem ir masa vai enerģija neatkarīgi no tā, vai tas ir redzams, nolaižot akmeni no tilta, planētas, kas riņķo ap zvaigzni, vai mēness, izraisot okeāna plūdmaiņas. Smagums, iespējams, ir visintuitīvākais un pazīstamākais no pamat spēkiem, taču tas arī ir bijis viens no grūtāk izskaidrojamajiem.
Īzaks Ņūtons bija pirmais, kurš ierosināja gravitācijas ideju, domājams, ka to iedvesmoja ābols, kas nokrita no koka. Viņš raksturoja smagumu kā burtisku pievilcību starp diviem objektiem. Gadsimtus vēlāk Alberts Einšteins, izmantojot savu vispārējās relativitātes teoriju, ieteica, ka gravitācija nav pievilcība vai spēks. Tā vietā tās ir sekas objektiem, kas saliek laika-telpas. Liels objekts darbojas telpas laikā nedaudz līdzīgi tam, kā loksnes vidū ievietotā lielā bumba ietekmē šo materiālu, deformējot to un liekot citiem, mazākiem lapas objektiem nokrist vidus virzienā.
Lai arī gravitācija satur planētas, zvaigznes, Saules sistēmas un pat galaktikas, tā izrādās visvājākā no pamata spēkiem, it īpaši molekulārajā un atomu mērogā. Padomājiet par to šādi: Cik grūti ir pacelt bumbu no zemes? Vai pacelt kāju? Vai arī lēkt? Visas šīs darbības neitralizē visas Zemes gravitāciju. Un molekulārajā, un atomu līmenī gravitācijai gandrīz nav ietekmes attiecībā pret citiem pamata spēkiem.
Vājais spēks
Vājais spēks, ko sauc arī par vāju kodola mijiedarbību, ir atbildīgs par daļiņu sabrukšanu. Tā ir burtiska viena veida subatomisko daļiņu maiņa citā. Tā, piemēram, neitrīns, kas noklīst tuvu neitronam, var pārvērst neitronu par protonu, kamēr neitrīno kļūst par elektronu.
Fiziķi apraksta šo mijiedarbību, apmainoties ar spēku nesošām daļiņām, ko sauc par bozoniem. Konkrēti bozoni ir atbildīgi par vājo spēku, elektromagnētisko spēku un spēcīgo spēku. Vājā spēkā bozoni ir lādētas daļiņas, ko sauc par W un Z bozoniem. Ja subatomiskās daļiņas, piemēram, protoni, neitroni un elektroni, atrodas viens otram tuvāk par 10 ^ -18 metriem jeb 0,1% no protona diametra, viņi var apmainīties ar šiem bozoniem. Rezultātā subatomiskās daļiņas sadalās jaunās daļiņās, liecina Džordžijas štata universitātes vietne HyperPhysics.
Vājajam spēkam ir izšķiroša nozīme kodolsintēzes reakcijās, kas baro sauli un rada enerģiju, kas nepieciešama lielākajai daļai dzīvības formu šeit uz Zemes. Tas ir arī iemesls, kāpēc arheologi var izmantot oglekļa-14 līdzšinējos senos kaulus, koksni un citus agrāk dzīvus artefaktus. Ogleklis-14 satur sešus protonus un astoņus neitronus; viens no šiem neitroniem sadalās protonā, veidojot slāpekli-14, kurā ir septiņi protoni un septiņi neitroni. Šī sabrukšana notiek ar paredzamu ātrumu, ļaujot zinātniekiem noteikt, cik veci ir šādi artefakti.
Elektromagnētiskais spēks
Elektromagnētiskais spēks, ko sauc arī par Lorenca spēku, darbojas starp lādētām daļiņām, piemēram, negatīvi lādētiem elektroniem un pozitīvi lādētiem protoniem. Pretējās lādiņas piesaista viena otru, bet līdzīgas lādiņi atgrūž. Jo lielāka maksa, jo lielāks spēks. Līdzīgi kā smagumam, šo spēku var izjust no bezgalīga attāluma (kaut arī spēks šajā attālumā būtu ļoti, ļoti mazs).
Kā norāda nosaukums, elektromagnētiskais spēks sastāv no divām daļām: elektriskā spēka un magnētiskā spēka. Sākumā fiziķi raksturoja šos spēkus kā atdalītus viens no otra, bet vēlāk pētnieki saprata, ka abi ir viena un tā paša spēka komponenti.
Elektriskais komponents darbojas starp uzlādētām daļiņām neatkarīgi no tā, vai tās pārvietojas vai nekustējas, izveidojot lauku, kurā lādiņi var ietekmēt viens otru. Pēc kustības sākšanas šīs uzlādētās daļiņas sāk parādīt otro komponentu - magnētisko spēku. Daļiņas, pārvietojoties tām, rada ap tām magnētisko lauku. Tātad, kad, piemēram, elektroni pietuvina vadu, lai, piemēram, uzlādētu datoru vai tālruni vai ieslēgtu televizoru, vads kļūst magnētisks.
Elektromagnētiskie spēki tiek pārsūtīti starp uzlādētām daļiņām, apmainoties ar bezspēcīgiem, spēku nesošiem bozoniem, ko sauc par fotoniem, kas ir arī gaismas daļiņu komponenti. Spēku nesošie fotoni, kas mainās starp lādētām daļiņām, tomēr ir atšķirīga fotonu izpausme. Tie ir virtuāli un nenosakāmi, kaut arī tie ir tehniski tādas pašas daļiņas kā īstā un nosakāmā versija, saskaņā ar Tenesī universitāti, Knoksvilas.
Elektromagnētiskais spēks ir atbildīgs par dažām visbiežāk pieredzētajām parādībām: berzi, elastību, parasto spēku un spēku, kas cietās vielas satur noteiktā formā. Tas ir pat atbildīgs par vilkšanu, ko putni, lidmašīnas un pat Supermens piedzīvo lidojot. Šīs darbības var notikt lādētu (vai neitralizētu) daļiņu mijiedarbības dēļ. Normāls spēks, kas, piemēram, notur grāmatu virs galda (tā vietā, lai gravitācija izvilktu grāmatu līdz zemei), piemēram, ir elektronu sekas tabulas atomos, kas atgrūž elektronus grāmatas atomos.
Spēcīgs kodolieroči
Spēcīgais kodolenerģijas spēks, ko sauc arī par spēcīgu kodolenerģijas mijiedarbību, ir spēcīgākais no četriem pamatjēdzieniem. Tas ir 6000 triljoni triljonu triljonu (tas ir 39 nulles pēc 6!) Reizes spēcīgāks nekā gravitācijas spēks, liecina vietnes HyperPhysics informācija. Un tas ir tāpēc, ka tas saista matērijas pamatdaļiņas kopā, veidojot lielākas daļiņas. Tas satur kopā kvarkus, kas veido protonus un neitronus, un daļa no spēcīgā spēka kopā satur arī atoma kodola protonus un neitronus.
Līdzīgi kā vājais spēks, stiprais spēks darbojas tikai tad, ja subatomiskās daļiņas atrodas ārkārtīgi tuvu viena otrai. Saskaņā ar HyperPhysics vietni tiem jāatrodas 10–15 metru attālumā viens no otra vai aptuveni protona diametrā.
Spēcīgais spēks tomēr ir nepāra, jo atšķirībā no visiem citiem pamata spēkiem tas kļūst vājāks, jo subatomiskās daļiņas pārvietojas tuvāk. Pēc Fermilaba teiktā, tas faktiski sasniedz maksimālo stiprību, kad daļiņas atrodas vistālāk viena no otras. Atrodoties diapazonā, bezsmadzeņu uzlādētie bozoni, ko sauc par gluoniem, pārnes spēcīgo spēku starp kvarkiem un uztur tos “salīmētus” kopā. Neliela daļa spēcīga spēka, ko sauc par spēcīgu atlikušo spēku, darbojas starp protoniem un neitroniem. Kodolā esošie protoni atgrūž viens otru to līdzīgā lādiņa dēļ, bet spēcīgais atlikušais spēks var pārvarēt šo atgrūšanos, tāpēc daļiņas paliek saistītas atoma kodolā.
Vienojošā daba
Četru pamata spēku neatrisinātais jautājums ir, vai tie patiesībā ir tikai viena liela Visuma spēka izpausmes. Ja tā, tad katram no viņiem vajadzētu būt iespējai apvienoties ar citiem, un jau ir pierādījumi, ka viņi to var.
Fiziķi Šeldons Glazovs un Stīvens Veinbergs no Hārvarda universitātes kopā ar Abdu Salamu no Londonas Imperiālā koledžas 1979. gadā ieguva Nobela prēmiju fizikā par elektromagnētiskā spēka apvienošanu ar vāju spēku, lai veidotu elektriskā vājuma spēka jēdzienu. Fiziku, kas strādā, lai atrastu tā saukto grandiozo vienoto teoriju, mērķis ir apvienot elektriskās strāvas spēku ar spēcīgo spēku, lai definētu kodolieroču spēku, ko modeļi ir paredzējuši, bet pētnieki vēl nav novērojuši. Galīgajam mīklas gabalam tad būtu nepieciešama gravitācijas apvienošana ar elektronu kodolieroču spēku, lai izstrādātu tā saucamo visa teoriju, teorētisko ietvaru, kas varētu izskaidrot visu Visumu.
Fizikiem tomēr ir samērā grūti apvienot mikroskopisko pasauli ar makroskopisko. Lielos un īpaši astronomiskos mērogos dominē smagums, un to vislabāk raksturo Einšteina vispārējās relativitātes teorija. Bet molekulārā, atomu vai subatomiskajā mērogā kvantu mehānika vislabāk raksturo dabisko pasauli. Un līdz šim neviens nav izdomājis labu veidu, kā apvienot šīs divas pasaules.
Fiziku, kas pēta kvantu gravitāciju, mērķis ir aprakstīt spēku kvantu pasaulē, kas varētu palīdzēt apvienošanā. Šīs pieejas pamatelements būtu gravitonu, gravitācijas spēka teorētiskā spēka nesošā bosona, atklāšana. Gravitācija ir vienīgais fundamentālais spēks, ko fiziķi šobrīd var aprakstīt, neizmantojot spēku nesošās daļiņas. Bet tāpēc, ka visu pārējo pamata spēku aprakstiem ir vajadzīgas spēku nesošās daļiņas, zinātnieki domā, ka gravitoniem ir jābūt subatomiskajā līmenī - pētnieki vienkārši vēl nav atraduši šīs daļiņas.
Stāstu vēl vairāk sarežģī tumšās matērijas un tumšās enerģijas neredzamā sfēra, kas veido aptuveni 95% no Visuma. Nav skaidrs, vai tumšā matērija un enerģija sastāv no vienas daļiņas vai vesela daļiņu kopuma, kurai ir savi spēki un kurjera bozoni.
Pašreizējās intereses galvenā kurjera daļiņa ir teorētiskais tumšais fotons, kas būtu starpnieks starp redzamā un neredzamā Visuma mijiedarbību. Ja eksistē tumšie fotoni, tie būtu atslēga tumšās matērijas neredzamās pasaules noteikšanai un varētu izraisīt piektā pamata spēka atklāšanu. Tomēr līdz šim nav pierādījumu par tumšo fotonu esamību, un daži pētījumi ir devuši pārliecinošus pierādījumus tam, ka šīs daļiņas neeksistē.
