กองกำลังพื้นฐานแห่งธรรมชาติทั้งสี่

ตั้งแต่การเดินบนถนนจนถึงการปล่อยจรวดสู่อวกาศจนถึงการติดแม่เหล็กบนตู้เย็นของคุณพลังทางกายภาพกำลังแสดงอยู่รอบตัวเรา แต่กองกำลังทั้งหมดที่เราพบเจอทุกวัน (และอีกมากมายที่เราไม่รู้ว่าเรามีประสบการณ์ทุกวัน) สามารถถูกวิพากษ์วิจารณ์ลงเหลือเพียงสี่กองกำลังพื้นฐาน:

1. แรงดึงดูด
2. พลังที่อ่อนแอ
3. แม่เหล็กไฟฟ้า
4. พลังที่แข็งแกร่ง

สิ่งเหล่านี้เรียกว่าพลังพื้นฐานสี่ประการของธรรมชาติและควบคุมทุกสิ่งที่เกิดขึ้นในจักรวาล

แรงดึงดูด

แรงดึงดูดคือแรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองชิ้นที่มีมวลหรือพลังงานไม่ว่าจะเป็นสิ่งที่เห็นได้จากการทิ้งก้อนหินจากสะพานดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวหรือดวงจันทร์ทำให้เกิดกระแสน้ำในมหาสมุทร แรงโน้มถ่วงน่าจะง่ายที่สุดและคุ้นเคยกับกองกำลังพื้นฐาน แต่ก็เป็นหนึ่งในสิ่งที่ท้าทายที่สุดในการอธิบาย

ไอแซกนิวตันเป็นคนแรกที่เสนอแนวคิดเรื่องแรงโน้มถ่วงโดยได้แรงบันดาลใจจากแอปเปิ้ลที่ตกลงมาจากต้นไม้ เขาอธิบายว่าแรงดึงดูดเป็นแรงดึงดูดที่แท้จริงระหว่างวัตถุสองชิ้น ศตวรรษต่อมา Albert Einstein แนะนำผ่านทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขาแรงโน้มถ่วงนั้นไม่ใช่แรงดึงดูดหรือแรง แต่เป็นผลมาจากวัตถุที่ดัดงอเวลาว่าง วัตถุขนาดใหญ่ทำงานในเวลาว่างเล็กน้อยเหมือนกับว่าลูกบอลขนาดใหญ่วางอยู่ตรงกลางของแผ่นงานส่งผลกระทบต่อวัสดุนั้นทำให้รูปร่างผิดรูปและทำให้วัตถุอื่นที่มีขนาดเล็กลงบนแผ่นงานตกลงไปที่กลางแผ่น

แม้ว่าแรงดึงดูดจะมีดาวเคราะห์ดวงดาวระบบสุริยะและแม้แต่กาแลคซีด้วยกัน แต่มันก็เป็นจุดอ่อนที่สุดของกองกำลังพื้นฐานโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระดับโมเลกุลและอะตอม คิดแบบนี้: มันยากแค่ไหนที่จะยกลูกบอลขึ้นจากพื้น? หรือจะยกเท้าของคุณ? หรือจะกระโดด? การกระทำเหล่านี้เป็นการต่อต้านแรงโน้มถ่วงของโลกทั้งหมด และในระดับโมเลกุลและอะตอมแรงโน้มถ่วงแทบไม่มีผลกระทบใด ๆ เมื่อเทียบกับแรงพื้นฐานอื่น ๆ

พลังที่อ่อนแอ

แรงที่อ่อนแอหรือที่เรียกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบอ่อนมีหน้าที่ในการสลายตัวของอนุภาค นี่คือการเปลี่ยนแปลงตามตัวอักษรของอนุภาคชนิดหนึ่งไปสู่อีกชนิดหนึ่ง ตัวอย่างเช่นนิวตริโนที่อยู่ใกล้กับนิวตรอนสามารถเปลี่ยนนิวตรอนเป็นโปรตอนได้ในขณะที่นิวตริโนกลายเป็นอิเล็กตรอน

นักฟิสิกส์อธิบายปฏิสัมพันธ์นี้ผ่านการแลกเปลี่ยนอนุภาคแรงที่เรียกว่าโบซอน โบซอนชนิดเฉพาะนั้นมีความรับผิดชอบต่อแรงอ่อนแรงแม่เหล็กไฟฟ้าและแรงที่แข็งแกร่ง ในแรงที่อ่อนแอโบซอนนั้นเป็นอนุภาคที่มีประจุเรียกว่า W และ Z โบซอน เมื่ออนุภาคในอะตอมเช่นโปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอนจะเข้ามาภายใน 10 ^ -18 เมตรหรือเส้นผ่านศูนย์กลางของโปรตอน 0.1% ซึ่งกันและกันพวกมันก็สามารถแลกเปลี่ยนโบซอนเหล่านี้ได้ เป็นผลให้อนุภาคย่อยสลายตัวเป็นอนุภาคใหม่ตามเว็บไซต์ HyperPhysics ของมหาวิทยาลัยรัฐจอร์เจีย

พลังที่อ่อนแอเป็นสิ่งสำคัญสำหรับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชั่นที่ให้พลังงานแก่ดวงอาทิตย์และผลิตพลังงานที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ในโลก นอกจากนี้ยังเป็นเหตุผลที่นักโบราณคดีสามารถใช้คาร์บอน -14 จนถึงกระดูกโบราณไม้และสิ่งประดิษฐ์อื่น ๆ ที่มีชีวิตก่อนหน้านี้ คาร์บอน -14 มีหกโปรตอนและแปดนิวตรอน หนึ่งในนิวตรอนเหล่านั้นสลายตัวเป็นโปรตอนเพื่อสร้างไนโตรเจน -14 ซึ่งมีเจ็ดโปรตอนและเจ็ดนิวตรอน การสลายตัวนี้เกิดขึ้นในอัตราที่สามารถคาดการณ์ได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถกำหนดอายุของสิ่งประดิษฐ์ดังกล่าวได้

แรงแม่เหล็กไฟฟ้า

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกอีกอย่างว่าแรง Lorentz ทำหน้าที่ระหว่างอนุภาคที่มีประจุเช่นอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโปรตอนที่มีประจุบวก ค่าใช้จ่ายตรงข้ามจะดึงดูดซึ่งกันและกันในขณะที่ค่าใช้จ่ายจะผลักกัน ยิ่งประจุยิ่งมีพลังมากเท่าไหร่ และเหมือนแรงโน้มถ่วงพลังนี้สามารถรู้สึกได้จากระยะไม่ จำกัด (แม้ว่าแรงจะน้อยมากในระยะนั้น)

ตามชื่อของมันแรงแม่เหล็กไฟฟ้าประกอบด้วยสองส่วนคือแรงไฟฟ้าและแรงแม่เหล็ก ตอนแรกนักฟิสิกส์อธิบายว่าพลังเหล่านี้แยกออกจากกัน แต่ต่อมานักวิจัยได้ตระหนักว่าทั้งสองเป็นองค์ประกอบของแรงเดียวกัน

องค์ประกอบทางไฟฟ้าทำหน้าที่ระหว่างอนุภาคที่มีประจุไม่ว่าจะเคลื่อนที่หรืออยู่กับที่นิ่งสร้างสนามที่ประจุนั้นมีอิทธิพลต่อกันและกัน แต่เมื่อเข้าสู่การเคลื่อนไหวอนุภาคที่มีประจุเหล่านั้นจะเริ่มแสดงองค์ประกอบที่สองนั่นคือแรงแม่เหล็ก อนุภาคจะสร้างสนามแม่เหล็กรอบ ๆ ตัวเมื่อมันเคลื่อนที่ ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนซูมผ่านสายไฟเพื่อชาร์จคอมพิวเตอร์หรือโทรศัพท์ของคุณหรือเปิดทีวีตัวอย่างเช่นลวดจะกลายเป็นแม่เหล็ก

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกถ่ายโอนระหว่างอนุภาคที่มีประจุผ่านการแลกเปลี่ยนโบซอนที่ไม่มีมวลและแรงที่เรียกว่าโฟตอนซึ่งเป็นส่วนประกอบของอนุภาคของแสง แต่โฟตอนที่มีแรงกระทำนั้นสลับกันระหว่างอนุภาคที่มีประจุ พวกเขาเป็นเสมือนจริงและไม่สามารถตรวจจับได้แม้ว่าพวกมันจะเป็นอนุภาคเดียวกับของจริงและสามารถตรวจจับได้ตามข้อมูลของ University of Tennessee, Knoxville

แรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีหน้าที่รับผิดชอบปรากฏการณ์ที่พบบ่อยที่สุดบางอย่าง ได้แก่ แรงเสียดทานความยืดหยุ่นแรงปกติและแรงจับยึดของแข็งเข้าด้วยกันในรูปแบบที่กำหนด แม้แต่รับผิดชอบในการลากนกเครื่องบินและแม้แต่ประสบการณ์แห่งสในขณะบิน การกระทำเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากอนุภาคที่มีประจุ (หรือถูกทำให้เป็นกลาง) ที่ทำปฏิกิริยากับกันและกัน แรงปกติที่ทำให้หนังสืออยู่บนโต๊ะ (แทนแรงดึงดูดดึงหนังสือผ่านลงไปที่พื้น) ตัวอย่างเช่นเป็นผลมาจากอิเล็กตรอนในอะตอมของโต๊ะเป็นตัวต้านทานอิเล็กตรอนในอะตอมของหนังสือ

พลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่ง

พลังนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งหรือที่เรียกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งเป็นพลังที่แข็งแกร่งที่สุดของกองกำลังพื้นฐานทั้งสี่ของธรรมชาติ มันคือ 6 พันล้านล้านล้านล้านล้าน (นั่นคือ 39 ศูนย์หลังจาก 6!) คูณด้วยแรงโน้มถ่วงตามเว็บไซต์ของ HyperPhysics และนั่นเป็นเพราะมันจับอนุภาคพื้นฐานของสสารเข้าด้วยกันเพื่อสร้างอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้น มันรวมควาร์กที่ประกอบกันเป็นโปรตอนและนิวตรอนและส่วนหนึ่งของแรงอันแข็งแกร่งก็ยังคงทำให้โปรตอนและนิวตรอนของนิวเคลียสอะตอมรวมกัน

เช่นเดียวกับพลังที่อ่อนแอพลังที่แข็งแกร่งจะทำงานก็ต่อเมื่ออนุภาคในระดับอะตอมใกล้เคียงกันมาก พวกเขาจะต้องอยู่ที่ไหนสักแห่งในระยะ 10 ^ -15 เมตรจากกันและกันหรือภายในรัศมีโปรตอนตามเว็บไซต์ HyperPhysics

กำลังที่แข็งแกร่งเป็นเลขคี่ แต่เนื่องจากแตกต่างจากแรงพื้นฐานอื่นใดมันจะอ่อนแอลงเมื่ออนุภาคของอะตอมเคลื่อนเข้าใกล้กัน มันมาถึงความแข็งแรงสูงสุดเมื่ออนุภาคอยู่ห่างจากกันและกันมากที่สุดตามที่ Fermilab บอก เมื่ออยู่ในช่วงค่า bosons ที่มีมวลมากเรียกว่า gluons จะส่งแรงที่แข็งแกร่งระหว่างควาร์กและทำให้พวกมัน "ติดกาว" เข้าด้วยกัน แรงเล็กน้อยที่เรียกว่ากำลังแรงตกค้างทำหน้าที่ระหว่างโปรตอนและนิวตรอน โปรตอนในนิวเคลียสผลักกันเพราะมีประจุคล้ายกัน แต่แรงที่เหลือสามารถเอาชนะแรงผลักนี้ได้ดังนั้นอนุภาคจะอยู่ในนิวเคลียสของอะตอม

การรวมธรรมชาติ

คำถามที่โดดเด่นของกองกำลังพื้นฐานทั้งสี่คือไม่ว่าพวกเขาจะปรากฏตัวจริงเพียงพลังอันยิ่งใหญ่ของจักรวาล ถ้าเป็นเช่นนั้นพวกเขาแต่ละคนควรจะสามารถรวมกับคนอื่น ๆ และมีหลักฐานว่าพวกเขาสามารถ

นักฟิสิกส์ Sheldon Glashow และ Steven Weinberg จาก Harvard University กับ Abdus Salam จาก Imperial College London ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1979 สำหรับการรวมแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเข้ากับแรงที่อ่อนแอเพื่อสร้างแนวความคิดของแรงไฟฟ้า electroweak นักฟิสิกส์ที่ทำงานเพื่อค้นหาทฤษฎีเอกภาพที่เรียกว่าแกรนด์ปึกแผ่นมีจุดมุ่งหมายเพื่อรวมพลัง electroweak ด้วยแรงที่แข็งแกร่งในการกำหนดแรงนิวเคลียร์ซึ่งแบบจำลองได้ทำนายไว้ แต่นักวิจัยยังไม่ได้สังเกต ชิ้นส่วนสุดท้ายของจิ๊กซอร์นั้นจะต้องใช้แรงโน้มถ่วงรวมกับแรงดึงดูดของอิเล็กตรอนในการพัฒนาทฤษฎีที่เรียกว่าทุกสิ่งซึ่งเป็นกรอบทฤษฎีที่สามารถอธิบายจักรวาลทั้งหมดได้

อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์พบว่ามันยากที่จะผสานโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ ในระดับดาราศาสตร์ที่มีขนาดใหญ่และโดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงโน้มถ่วงมีอิทธิพลและอธิบายได้ดีที่สุดโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ Einstein แต่ในระดับโมเลกุลโมเลกุลหรืออะตอมย่อยกลศาสตร์ควอนตัมอธิบายโลกธรรมชาติได้ดีที่สุด จนถึงตอนนี้ยังไม่มีใครคิดวิธีที่ดีที่จะผสานโลกทั้งสองนี้เข้าด้วยกัน

นักฟิสิกส์ที่ศึกษาแรงโน้มถ่วงควอนตัมมีจุดมุ่งหมายเพื่ออธิบายแรงในแง่ของโลกควอนตัมซึ่งสามารถช่วยในการผสาน พื้นฐานของวิธีการดังกล่าวคือการค้นพบ Gravitons ซึ่งเป็นทฤษฎีการแบกแรงโบซอนของแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงเป็นกำลังพื้นฐานเพียงอย่างเดียวที่นักฟิสิกส์สามารถอธิบายได้โดยไม่ต้องใช้อนุภาคที่มีแรงกระทำ แต่เนื่องจากคำอธิบายของกองกำลังพื้นฐานอื่น ๆ ทั้งหมดต้องการอนุภาคที่มีแรงกระทำนักวิทยาศาสตร์คาดว่า Gravitons จะต้องอยู่ในระดับ Subatomic - นักวิจัยยังไม่พบอนุภาคเหล่านี้

การทำให้เรื่องราวซับซ้อนยิ่งขึ้นก็คืออาณาจักรแห่งสสารมืดและพลังงานมืดที่มองไม่เห็นซึ่งสร้างขึ้นประมาณ 95% ของจักรวาล มันไม่ชัดเจนว่าสสารและพลังงานประกอบด้วยอนุภาคเดี่ยวหรือชุดอนุภาคทั้งหมดที่มีกองกำลังและผู้ส่งสาร bosons ของตัวเอง

อนุภาคผู้ส่งสารหลักที่น่าสนใจในปัจจุบันคือโฟตอนมืดตามทฤษฎีซึ่งจะเป็นสื่อกลางในการปฏิสัมพันธ์ระหว่างจักรวาลที่มองเห็นและมองไม่เห็น หากมีโฟตอนมืดอยู่พวกมันจะเป็นกุญแจในการตรวจจับโลกที่มองไม่เห็นของสสารมืดและอาจนำไปสู่การค้นพบพลังพื้นฐานที่ห้า จนถึงขณะนี้ยังไม่มีหลักฐานว่ามีโฟตอนมืดและงานวิจัยบางชิ้นได้เสนอหลักฐานที่ชัดเจนว่าอนุภาคเหล่านี้ไม่มีอยู่จริง