Sokakta yürümekten uzaya bir roket atmaya, buzdolabınıza bir mıknatıs yapıştırmaya kadar fiziksel kuvvetler etrafımızda hareket ediyor. Ancak her gün deneyimlediğimiz tüm güçler (ve her gün deneyimlediğimizi fark etmediğimiz birçok güç) sadece dört temel güce indirgenebilir:
- Yerçekimi.
- Zayıf kuvvet.
- Elektromanyetizm.
- Güçlü kuvvet.
Bunlara doğanın dört temel gücü denir ve evrende olan her şeyi yönetirler.
Yerçekimi
Yerçekimi, bir köprüden bir kayayı, bir yıldızın etrafında dönen bir gezegeni veya ayın okyanus dalgalarına neden olan kütlesini veya enerjisini taşıyan iki nesne arasındaki çekimdir. Yerçekimi muhtemelen temel güçlerin en sezgisel ve tanıdık olanıdır, ancak aynı zamanda açıklanması en zor olanlardan biridir.
Isaac Newton'un, ağaçtan düşen bir elmadan ilham aldığı düşünülen yerçekimi fikrini ilk öneren kişi oldu. Yerçekimini iki nesne arasındaki gerçek bir çekim olarak tanımladı. Yüzyıllar sonra, Albert Einstein, genel görelilik teorisiyle yerçekiminin bir çekim veya güç olmadığını ileri sürdü. Bunun yerine, uzay-zaman büken nesnelerin bir sonucudur. Büyük bir nesne, bir kağıdın ortasına yerleştirilen büyük bir topun bu malzemeyi nasıl etkilediğini, deforme olmasını ve sayfadaki diğer daha küçük nesnelerin ortaya doğru düşmesine neden olduğu gibi uzay-zaman üzerinde çalışır.
Yerçekimi gezegenleri, yıldızları, güneş sistemlerini ve hatta galaksileri bir arada tutsa da, özellikle moleküler ve atomik ölçeklerde temel kuvvetlerin en zayıf olduğu ortaya çıkıyor. Şöyle düşünün: Bir topu yerden kaldırmak ne kadar zor? Ya da ayağını kaldırmak için mi? Yoksa zıplamak mı? Tüm bu eylemler tüm Dünya'nın yerçekimine karşı koyuyor. Ve moleküler ve atomik seviyelerde, yerçekiminin diğer temel kuvvetlere göre neredeyse hiçbir etkisi yoktur.
Zayıf kuvvet
Zayıf nükleer etkileşim olarak da adlandırılan zayıf kuvvet, parçacık çürümesinden sorumludur. Bu, bir tür atomaltı parçacığının diğerine değişmesidir. Böylece, örneğin, bir nötrona yakın olan bir nötrino, nötron bir elektrona dönüşürken nötronu protona dönüştürebilir.
Fizikçiler bu etkileşimi bozon adı verilen kuvvet taşıyan parçacıkların değiş tokuşuyla tanımlarlar. Belirli tür bozonlar zayıf kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve güçlü kuvvetten sorumludur. Zayıf kuvvette, bozonlara W ve Z bozonları adı verilen yüklü parçacıklar denir. Protonlar, nötronlar ve elektronlar gibi atom altı parçacıklar birbirlerinin 10 ^ -18 metre veya bir proton çapının% 0.1'ine ulaştığında, bu bozonları değiştirebilirler. Sonuç olarak, Georgia Eyalet Üniversitesi'nin HiperFizik web sitesine göre atomaltı parçacıklar yeni parçacıklara dönüşüyor.
Zayıf kuvvet, güneşi besleyen ve burada Dünya'daki çoğu yaşam formu için gereken enerjiyi üreten nükleer füzyon reaksiyonları için kritiktir. Arkeologlar neden eski kemik, ahşap ve daha önce yaşayan diğer eserler için karbon-14 kullanabilirler. Karbon-14 altı proton ve sekiz nötrona sahiptir; bu nötronlardan biri, yedi protonu ve yedi nötronu olan azot-14 yapmak için bir protona bozunur. Bu bozulma, bilim adamlarının bu tür eserlerin kaç yaşında olduğunu belirlemelerine izin veren tahmin edilebilir bir oranda gerçekleşir.
Elektromanyetik güç
Lorentz kuvveti olarak da adlandırılan elektromanyetik kuvvet, negatif yüklü elektronlar ve pozitif yüklü protonlar gibi yüklü parçacıklar arasında hareket eder. Karşıt suçlamalar birbirini çeker, tıpkı suçlamalar itilir. Yük ne kadar büyük olursa, kuvvet o kadar büyük olur. Ve yerçekimi gibi, bu kuvvet sonsuz bir mesafeden hissedilebilir (kuvvet bu mesafeden çok, çok küçük olsa da).
Adından da anlaşılacağı gibi, elektromanyetik kuvvet iki bölümden oluşur: elektrik kuvveti ve manyetik kuvvet. İlk başta, fizikçiler bu kuvvetleri birbirinden ayrı olarak tanımladılar, ancak araştırmacılar daha sonra ikisinin aynı gücün bileşenleri olduğunu fark ettiler.
Elektrikli bileşen, yüklü veya hareketsiz olsun yüklü parçacıklar arasında hareket ederek yüklerin birbirini etkileyebileceği bir alan oluşturur. Fakat harekete geçtikten sonra, yüklü parçacıklar ikinci bileşeni, manyetik kuvveti göstermeye başlar. Parçacıklar hareket ettikçe etrafında manyetik bir alan oluştururlar. Elektronlar, bilgisayarınızı veya telefonunuzu şarj etmek veya TV'nizi açmak için bir telden yakınlaştırma yaptığında, tel manyetik hale gelir.
Elektromanyetik kuvvetler, yüklü parçacıklar arasında, aynı zamanda ışığın parçacık bileşenleri olan foton adı verilen kütlesiz, kuvvet taşıyan bozonların değişimi yoluyla aktarılır. Ancak yüklü parçacıklar arasında yer değiştiren kuvvet taşıyan fotonlar, fotonların farklı bir tezahürüdür. Knoxville, Tennessee Üniversitesi'ne göre teknik olarak gerçek ve algılanabilir versiyonla aynı parçacıklar olsalar da sanal ve algılanamazlar.
Elektromanyetik kuvvet en sık karşılaşılan bazı fenomenlerden sorumludur: sürtünme, elastikiyet, normal kuvvet ve katıları belirli bir şekilde bir arada tutan kuvvet. Uçarken kuşların, uçakların ve hatta Süpermen'in yaşadığı sürüklemeden bile sorumludur. Bu eylemler, birbirleriyle etkileşen yüklü (veya nötrleştirilmiş) parçacıklar nedeniyle ortaya çıkabilir. Örneğin, bir kitabı bir masanın üstünde tutan normal kuvvet (kitabı yeryüzüne çeken yerçekimi yerine), tablonun atomlarındaki elektronların, kitabın atomlarındaki elektronları iten bir sonucudur.
Güçlü nükleer kuvvet
Güçlü nükleer etkileşim olarak da adlandırılan güçlü nükleer kuvvet, doğanın dört temel kuvvetinin en güçlüsüdür. HyperPhysics web sitesine göre, yerçekimi kuvvetinden 6 bin trilyon trilyon trilyon (6'dan sonra 39 sıfır!) Kat daha güçlü. Çünkü daha büyük parçacıklar oluşturmak için maddenin temel parçacıklarını birbirine bağlar. Protonları ve nötronları oluşturan kuarkları bir arada tutar ve güçlü kuvvetin bir kısmı da bir atom çekirdeğinin protonlarını ve nötronlarını bir arada tutar.
Zayıf kuvvet gibi, güçlü kuvvet sadece atomaltı parçacıklar birbirine çok yakın olduğunda çalışır. HyperPhysics web sitesine göre, birbirlerinden 10 ^ -15 metre mesafede veya kabaca bir proton çapı içinde olmalıdırlar.
Bununla birlikte, güçlü kuvvet tuhaftır, çünkü diğer temel kuvvetlerin aksine, atom altı parçacıklar birbirine yaklaştıkça zayıflar. Fermilab'a göre, parçacıklar birbirinden en uzak olduğunda aslında maksimum güce ulaşıyor. Menzil içine girdiğinde, gluon adı verilen kütlesiz yüklü bozonlar kuarklar arasındaki kuvvetli kuvveti iletir ve bir arada "yapıştırılmış" halde tutar. Güçlü kuvvetin artık kuvvetli kuvvet olarak adlandırılan küçük bir kısmı protonlar ve nötronlar arasında hareket eder. Çekirdekteki protonlar benzer yükleri nedeniyle birbirlerini iterler, ancak kalan güçlü kuvvet bu itilmenin üstesinden gelebilir, böylece parçacıklar bir atom çekirdeğinde bağlı kalır.
Doğayı birleştirici
Dört temel gücün öne çıkan sorusu, aslında evrenin tek bir büyük gücünün tezahürü olup olmadığıdır. Eğer öyleyse, her biri diğerleriyle birleşebilmeli ve zaten yapabileceklerine dair kanıt var.
Harvard Üniversitesi'nden Fizikçiler Sheldon Glashow ve Harvard Üniversitesi'nden Abdus Salam ile Londra'dan Abdus Salam 1979 yılında elektromanyetik kuvveti elektrokeaktif kuvvet kavramını oluşturmak için zayıf kuvvetle birleştirdikleri için Nobel Fizik Ödülü'nü kazandılar. Büyük bir birleşik teori bulmak için çalışan fizikçiler, modellerin tahmin ettiği ancak araştırmacıların henüz gözlemlemediği bir elektronükleer kuvveti tanımlamak için elektrokeaktör kuvvetini güçlü kuvvetle birleştirmeyi amaçlıyor. Bulmacanın son parçası, tüm evreni açıklayabilecek teorik bir çerçeve olan her şeyin teorisini geliştirmek için yerçekimini elektronükleer kuvvetle birleştirmeyi gerektirecektir.
Ancak fizikçiler, mikroskobik dünyayı makroskopik dünya ile birleştirmeyi oldukça zor bulmuşlardır. Büyük ve özellikle astronomik ölçeklerde, yerçekimi hakimdir ve Einstein'ın genel görelilik teorisi tarafından en iyi şekilde tanımlanır. Ancak moleküler, atomik veya atom altı ölçeklerde, kuantum mekaniği doğal dünyayı en iyi tanımlar. Şimdiye kadar, hiç kimse bu iki dünyayı birleştirmenin iyi bir yolunu bulamadı.
Kuantum yerçekimini inceleyen fizikçiler, kuvveti kuantum dünyası olarak tanımlamayı amaçlamaktadır ve bu birleşmeye yardımcı olabilir. Bu yaklaşımın temeli, yerçekimi kuvvetinin teorik kuvvet taşıyan bozonu olan gravitonların keşfi olacaktır. Yerçekimi, fizikçilerin şu anda kuvvet taşıyan parçacıklar kullanmadan tanımlayabilecekleri tek temel kuvvettir. Ancak diğer tüm temel güçlerin açıklamaları kuvvet taşıyan parçacıklar gerektirdiğinden, bilim adamları gravitonların atomaltı düzeyde var olmasını beklerler - araştırmacılar henüz bu parçacıkları bulamadılar.
Hikayeyi daha da karmaşık hale getiren, evrenin yaklaşık% 95'ini oluşturan karanlık madde ve karanlık enerjinin görünmez alemidir. Karanlık maddenin ve enerjinin tek bir parçacıktan mı yoksa kendi güçlerine ve haberci bozonlarına sahip bütün parçacıklardan mı oluştuğu belirsizdir.
Mevcut ilginin birincil haberci parçacığı, görünür ve görünmez evren arasındaki etkileşimlere aracılık edecek teorik karanlık fotondur. Karanlık fotonlar varsa, karanlık maddenin görünmez dünyasını tespit etmenin anahtarı olurdu ve beşinci bir temel gücün keşfedilmesine yol açabilirler. Bununla birlikte, şimdiye kadar, karanlık fotonların var olduğuna dair bir kanıt yok ve bazı araştırmalar bu parçacıkların mevcut olmadığına dair güçlü kanıtlar sundu.
