Den vildhåriga lysande killen bakom den första kraften vi ska prata om Central Press/Stringer/Hulton Archive/Getty Images När du sitter framför datorn och läser den här artikeln, du kanske inte är medveten om de många krafter som verkar på dig. A tvinga definieras som en push eller pull som ändrar ett objekts rörelsestillstånd eller får objektet att deformeras. Newton definierade en kraft som allt som fick ett objekt att accelerera - F =ma, var F är kraft, m är massa och a är acceleration.
Den välbekanta kraften hos allvar drar ner dig i din sits, mot jordens centrum. Du känner det som din vikt. Varför faller du inte genom din sits? Väl, en annan kraft, elektromagnetism , håller ihop atomerna i din sits, förhindra att dina atomer tränger in i din sits. Elektromagnetiska interaktioner i din datorskärm är också ansvariga för att generera ljus som gör att du kan läsa skärmen.
Tyngdkraft och elektromagnetism är bara två av de fyra grundläggande naturkrafterna, specifikt två som du kan observera varje dag. Vad är de andra två, och hur påverkar de dig om du inte kan se dem?
De återstående två krafterna arbetar på atomnivå, som vi aldrig känner, trots att den är gjord av atomer. De stark kraft håller ihop kärnan. Slutligen, de svag kraft är ansvarig för radioaktivt sönderfall, specifikt, betaförfall där en neutron i kärnan förändras till en proton och en elektron, som matas ut från kärnan.
Utan dessa grundläggande krafter, du och all annan materia i universum skulle falla isär och flyta iväg. Låt oss titta på varje grundläggande kraft, vad var och en gör, hur det upptäcktes och hur det förhåller sig till de andra.
Innehåll
Den här lilla killen är på väg att ta reda på vad gravitation handlar om. Steve Puetzer/Getty Images Den första kraft som du någonsin blev medveten om var förmodligen gravitationen. Som småbarn, du var tvungen att lära dig att resa dig mot det och gå. När du snubblade, du kände omedelbart att gravitationen tog dig tillbaka till golvet. Förutom att ge småbarn problem, tyngdkraften håller månen, planeter, Sol, stjärnor och galaxer tillsammans i universum i sina respektive banor. Den kan fungera över enorma avstånd och har en oändlig räckvidd.
Isaac Newton föreställde sig tyngdkraften som en dragning mellan två föremål som var direkt relaterade till deras massor och omvänt relaterade till kvadraten på avståndet som separerade dem. Hans gravitationslag gjorde det möjligt för mänskligheten att skicka astronauter till månen och robotprober till våra solsystems ytterområden. Från 1687 till början av 1900 -talet Newtons idé om tyngdkraften som en "dragkamp" mellan två objekt dominerade fysiken.
Men ett fenomen som Newtons teorier inte kunde förklara var Merkurius märkliga bana. Själva banan tycktes rotera (även känd som precession). Denna observation frustrerade astronomer sedan mitten av 1800-talet. År 1915, Albert Einstein insåg att Newtons rörelser och tyngdkraftslag inte gällde föremål med hög gravitation eller höga hastigheter, som ljusets hastighet.
I hans allmänna relativitetsteori, Albert Einstein uppfattade tyngdkraften som en förvrängning av rymden orsakad av massa. Tänk dig att du placerar en bowlingboll i mitten av ett gummiark. Bollen gör en fördjupning i arket (en gravitationskälla eller ett tyngdkraftsfält). Om du rullar en marmor mot bollen, den kommer att falla in i fördjupningen (lockas till bollen) och kan till och med cirkla bollen (bana) innan den träffar. Beroende på marmorns hastighet, det kan komma undan depressionen och passera bollen, men depressionen kan förändra marmorns väg. Tyngdkraftsfält runt massiva föremål som solen gör detsamma. Einstein härledde Newtons tyngdlag från sin egen relativitetsteori och visade att Newtons idéer var ett speciellt fall av relativitet, specifikt en som gäller svag tyngdkraft och låga hastigheter.
När man överväger massiva föremål (jorden, stjärnor, galaxer), tyngdkraften verkar vara den mest kraftfulla kraften. Dock, när du tillämpar gravitationen på atomnivån, det har liten effekt eftersom massorna av subatomära partiklar är så små. På denna nivå, den är faktiskt nedgraderad till den svagaste kraften.
Låt oss titta på elektromagnetism, nästa grundkraft.
Kom igen, alla vet att motsatser lockar, även Paula Abdul. Don Farrall/Getty Images Om du borstar håret flera gånger, ditt hår kan stå upp och dras till borsten. Varför? Borstens rörelse ger elektriska laddningar till varje hår och de identiskt laddade individuella hårstrån stöter bort varandra. Liknande, om du placerar identiska poler med två stångmagneter tillsammans, de kommer att stöta bort varandra. Men ställ magneternas motsatta poler nära varandra, och magneterna kommer att locka varandra. Detta är bekanta exempel på elektromagnetisk kraft; motsatta avgifter lockar, medan avgifter avvisar.
Forskare har studerat elektromagnetism sedan 1700 -talet, med flera som gör anmärkningsvärda bidrag.
När forskare utarbetade atomens struktur i början av 1900 -talet, de lärde sig att subatomära partiklar utövade elektromagnetiska krafter på varandra. Till exempel, positivt laddade protoner kan hålla negativt laddade elektroner i omloppsbana runt kärnan. Vidare, elektroner i en atom lockade protoner från närliggande atomer för att bilda en kvarvarande elektromagnetisk kraft , som hindrar dig från att falla genom din stol.
Men hur fungerar elektromagnetismen på ett oändligt område i den stora världen och en kort räckvidd på atomnivå? Fysiker trodde att fotoner överförde elektromagnetisk kraft över stora avstånd. Men de var tvungna att utforma teorier för att förena elektromagnetism på atomnivå, och detta ledde till området kvantelektrodynamik ( QED ). Enligt QED, fotoner överför elektromagnetisk kraft både makroskopiskt och mikroskopiskt; dock, subatomära partiklar utbyter ständigt virtuella fotoner under sina elektromagnetiska interaktioner.
Men elektromagnetism kan inte förklara hur kärnan håller ihop. Det är där kärnkraften spelar in.
Dr. Hideki Yukawa, höger, får Nobelpriset för fysik i Stockholm av dåvarande kronprins Gustaf Adolf av Sverige 10 december, 1949, för hans postulation om mesonen. AP Photo/Getty Images Kärnan i vilken atom som helst är gjord av positivt laddade protoner och neutrala neutroner. Elektromagnetism berättar för oss att protoner ska stöta bort varandra och kärnan ska flyga isär. Vi vet också att tyngdkraften inte spelar någon roll i en subatomär skala, så någon annan kraft måste finnas i kärnan som är starkare än gravitation och elektromagnetism. Dessutom, eftersom vi inte uppfattar denna kraft varje dag som vi gör med gravitation och elektromagnetism, då måste den fungera över mycket korta sträckor, säga, på atomens skala.
Kraften som håller ihop kärnan kallas stark kraft , växelvis kallad den starka kärnkraften eller starka kärnkraftsinteraktionen. År 1935, Hideki Yukawa modellerade denna kraft och föreslog att protoner som interagerar med varandra och med neutroner byter ut en partikel som kallas en meson - kallade senare a pion - att överföra den starka kraften.
På 1950 -talet, fysiker byggde partikelacceleratorer för att utforska kärnans struktur. När de kraschade atomer tillsammans i höga hastigheter, de hittade de pioner som Yukawa förutspådde. De fann också att protoner och neutroner var gjorda av mindre partiklar som kallas kvarker . Så, den starka kraften höll ihop kvarkerna, som i sin tur höll ihop kärnan.
Ett annat kärnkraftsfenomen måste förklaras:radioaktivt sönderfall. I beta -utsläpp, en neutron förfaller till en proton, anti-neutrino och elektron (betapartikel). Elektronen och anti-neutrino matas ut från kärnan. Kraften som ansvarar för detta förfall och utsläpp måste vara annorlunda och svagare än den starka kraften, alltså det är olyckligt namn - svag kraft eller den svaga kärnkraften eller den svaga kärnkraftsinteraktionen.
Med upptäckten av kvarkar, den svaga kraften visade sig vara ansvarig för att ändra en typ av kvark till en annan genom utbyte av partiklar som kallas W- och Z -bosoner, som upptäcktes 1983. I slutändan, den svaga kraften gör kärnfusion i solen och stjärnorna möjlig eftersom den tillåter väteisotopen deuterium att bildas och smälta ihop.
Nu när du kan namnge de fyra krafterna - gravitation, elektromagnetism, den svaga kraften och den starka kraften - vi får se hur de jämför och interagerar med varandra.
Från fälten QED och kvantkromodynamik , eller QCD , fysikens område som beskriver samspelet mellan subatomära partiklar och kärnkraft, vi ser att många av krafterna överförs av objekt som utbyter partiklar som kallas mätpartiklar eller mäta bosoner . Dessa objekt kan vara kvarker, protoner, elektroner, atomer, magneter eller till och med planeter. Så, hur överför partiklarna en kraft? Tänk på två skridskoåkare som står på avstånd från varandra. Om en skridskoåkare kastar en boll till den andra, åkarna kommer att röra sig längre bort från varandra. Styrkor fungerar på ett liknande sätt.
Fysiker har isolerat mätpartiklarna för de flesta krafterna. Den starka kraften använder pioner och en annan partikel som kallas a gluon . Den svaga kraften använder W och Z bosoner . Den elektromagnetiska kraften använder fotoner . Tyngdkraften antas förmedlas av en partikel som kallas a graviton ; dock, gravitoner har inte hittats än. Några av mätpartiklarna associerade med kärnkraften har massa, medan andra inte gör det (elektromagnetism, allvar). Eftersom elektromagnetisk kraft och gravitation kan arbeta över stora avstånd som ljusår, deras mätpartiklar måste kunna färdas med ljusets hastighet, kanske ännu snabbare för gravitoner. Fysiker vet inte hur tyngdkraften överförs. Men enligt Einsteins teori om särskild relativitetsteori, inget föremål med massa kan färdas med ljusets hastighet, så det är vettigt att fotoner och gravitoner är massfria mätpartiklar. Faktiskt, fysiker har fastställt att fotoner inte har någon massa.
Vilken kraft är den mäktigaste av dem alla? Det skulle vara den starka kärnkraften. Dock, den verkar bara inom en kort räckvidd, ungefär lika stor som en kärna. Den svaga kärnkraften är en miljonedel så stark som den starka kärnkraften och har en ännu kortare räckvidd, mindre än en protons diameter. Den elektromagnetiska kraften är cirka 0,7 procent lika stark som den starka kärnkraften, men har ett oändligt område eftersom fotoner som bär den elektromagnetiska kraften färdas med ljusets hastighet. Till sist, tyngdkraften är den svagaste kraften vid cirka 6 x 10 -29 gånger den starka kärnkraftens. Allvar, dock, har ett oändligt utbud.
Fysiker driver för närvarande tankarna på att de fyra grundläggande krafterna kan vara relaterade och att de kom från en kraft tidigt i universum. Tanken är inte utan motstycke. Vi tänkte en gång på elektricitet och magnetism som separata enheter, men Oersteds arbete, Faraday, Maxwell och andra visade att de var släkt. Teorier som relaterar de grundläggande krafterna och subatomära partiklarna kallas passande stora enhetliga teorier . Mer om dem nästa.
Magnetkärnan i Large Hadron Collider kan en dag förena den starka kraften med den elektrosvaga kraften. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images Vetenskapen vilar aldrig, så arbetet med grundläggande krafter är långt ifrån klart. Nästa utmaning är att konstruera en stor enhetlig teori om de fyra krafterna, en särskilt svår uppgift eftersom forskare har kämpat för att förena gravitationsteorier med kvantmekanikens.
Det är där partikelacceleratorer, som kan framkalla kollisioner vid högre energier, komma väl till pass. 1963, fysiker Sheldon Glashow, Abdul Salam och Steve Weinberg föreslog att den svaga kärnkraften och den elektromagnetiska kraften skulle kunna kombinera vid högre energier i det som skulle kallas elektriskt svag kraft . De förutspådde att detta skulle ske vid en energi på cirka 100 giga-elektronvolt (100GeV) eller en temperatur på 10 15 K, som inträffade strax efter Big Bang. 1983, fysiker nådde dessa temperaturer i en partikelaccelerator och visade att den elektromagnetiska kraften och den svaga kärnkraften var relaterade.
Teorier förutspår att den starka kraften kommer att förena sig med den elektriskt svaga kraften vid energier över 10 15 GeV och att alla krafter kan förenas vid energier över 10 19 GeV. Dessa energier närmar sig temperaturen vid den tidigaste delen av Big Bang. Fysiker strävar efter att bygga partikelacceleratorer som kan nå dessa temperaturer. Den största partikelacceleratorn är Large Hadron Collider vid CERN i Genève, Schweiz. När det kommer online, det kommer att kunna accelerera protoner till 99,99 procent ljusets hastighet och nå kollisionsenergier för 14 tera-elektronvolt eller 14 TeV, vilket är lika med 14, 000 GeV eller 1,4 x 10 4 GeV.
Om fysiker kan visa att de fyra grundläggande krafterna verkligen kom från en enhetlig kraft när universum svalnade från Big Bang, kommer det att förändra ditt dagliga liv? Antagligen inte. Dock, det kommer att främja vår förståelse av krafternas natur, liksom universums ursprung och öde.
