från att gå på gatan, att lansera en raket i rymden, att hålla en magnet på ditt kylskåp, fysiska krafter agerar runt omkring oss. Men alla krafter som vi upplever varje dag (och många som vi inte inser att vi upplever varje dag) kan whittled ner till bara fyra grundläggande krafter:
- gravitation.
- den svaga kraften.
- elektromagnetism.
- den starka kraften.
dessa kallas naturens fyra grundläggande krafter, och de styr allt som händer i universum.,
gravitation
gravitationen är attraktionen mellan två objekt som har massa eller energi, oavsett om detta ses i att släppa en sten från en bro, en planet som kretsar kring en stjärna eller månen som orsakar havsvatten. Gravity är förmodligen den mest intuitiva och bekanta av de grundläggande krafterna, men det har också varit en av de mest utmanande att förklara.
Isaac Newton var den första som föreslog idén om gravitation, förmodligen inspirerad av ett äpple som faller från ett träd. Han beskrev gravitationen som en bokstavlig attraktion mellan två objekt., Århundraden senare föreslog Albert Einstein, genom sin teori om allmän relativitet, att gravitationen inte är en attraktion eller en kraft. Istället är det en följd av föremål som böjer rymdtid. Ett stort objekt fungerar på rymdtid lite som hur en stor boll placerad i mitten av ett ark påverkar det materialet, deformerar det och orsakar andra, mindre föremål på arket att falla mot mitten.
även om gravitationen håller ihop planeter, stjärnor, solsystem och till och med galaxer, visar det sig vara den svagaste av de grundläggande krafterna, särskilt vid molekylära och atomvågor., Tänk på det här sättet: hur svårt är det att lyfta en boll från marken? Eller att lyfta foten? Eller att hoppa? Alla dessa handlingar motverkar allvaret i hela jorden. Och på molekylär-och atomnivå har gravitationen nästan ingen effekt i förhållande till de andra grundläggande krafterna.
relaterat: 6 vardagliga saker som händer konstigt i rymden
den svaga kraften
den svaga kraften, även kallad den svaga kärninteraktionen, är ansvarig för partikelförfall. Detta är den bokstavliga förändringen av en typ av subatomär partikel till en annan., Så, till exempel, en neutrino som sträcker sig nära en neutron kan göra neutronen till en proton medan neutrino blir en elektron.
fysiker beskriver denna interaktion genom utbyte av kraftbärande partiklar som kallas bosons. Specifika typer av bosoner är ansvariga för den svaga kraften, elektromagnetisk kraft och stark kraft. I den svaga kraften laddas bosons partiklar som kallas W och Z bosons. När subatomära partiklar som protoner, neutroner och elektroner kommer inom 10^-18 meter, eller 0,1% av diametern hos en proton, av varandra, kan de byta dessa bosoner., Som ett resultat sönderfaller de subatomiska partiklarna i nya partiklar, enligt Georgia State University Hyperfysik webbplats.
den svaga kraften är kritisk för de kärnfusionsreaktioner som driver solen och producerar den energi som behövs för de flesta livsformer här på jorden. Det är också därför arkeologer kan använda kol-14 hittills gamla ben, trä och andra tidigare levande artefakter. Kol-14 har sex protoner och åtta neutroner; en av dessa neutroner sönderfaller till en proton för att göra kväve-14, som har sju protoner och sju neutroner., Detta förfall händer i en förutsägbar takt, så att forskare kan bestämma hur gamla sådana artefakter är.
elektromagnetisk kraft
den elektromagnetiska kraften, även kallad Lorentz-kraften, verkar mellan laddade partiklar, som negativt laddade elektroner och positivt laddade protoner. Motsatta avgifter lockar varandra, medan som avgifter avvärja. Ju större laddning desto större kraft. Och mycket som gravitation, kan denna kraft kännas från ett oändligt avstånd (om än kraften skulle vara mycket, mycket liten på det avståndet).,
som namnet antyder består den elektromagnetiska kraften av två delar: den elektriska kraften och den magnetiska kraften. Först beskrev fysiker dessa krafter som separata från varandra, men forskare insåg senare att de två är komponenter av samma kraft.
den elektriska komponenten verkar mellan laddade partiklar oavsett om de rör sig eller står stilla, vilket skapar ett fält genom vilket laddningarna kan påverka varandra. Men när de sätts i rörelse börjar de laddade partiklarna visa den andra komponenten, den magnetiska kraften., Partiklarna skapar ett magnetfält runt dem när de rör sig. Så när elektroner zoomar genom en tråd för att ladda din dator eller telefon eller slå på din TV, till exempel blir tråden magnetisk.
relaterat: hur solens magnetfält fungerar (Infographic)
elektromagnetiska krafter överförs mellan laddade partiklar genom utbyte av masslösa, kraftbärande bosoner som kallas fotoner, som också är ljusets partikelkomponenter. De kraftbärande fotonerna som byter mellan laddade partiklar är dock en annan manifestation av fotoner., De är virtuella och omätbara, även om de är tekniskt samma partiklar som den verkliga och detekterbara versionen, enligt University of Tennessee, Knoxville.
den elektromagnetiska kraften är ansvarig för några av de vanligaste upplevda fenomenen: friktion, elasticitet, normal kraft och kraft som håller fasta ämnen tillsammans i en given form. Det är även ansvarig för dra som fåglar, flygplan och även Superman erfarenhet under flygning. Dessa åtgärder kan uppstå på grund av laddade (eller neutraliserade) partiklar som interagerar med varandra., Den normala kraften som håller en bok ovanpå ett bord (istället för gravitation drar boken genom till marken) är till exempel en följd av elektroner i bordets atomer som avvisar elektroner i bokens atomer.
den starka kärnkraften
den starka kärnkraften, även kallad den starka nukleära interaktionen, är den starkaste av naturens fyra grundläggande krafter. Det är 6 tusen biljoner biljoner biljoner (det är 39 nollor efter 6!) gånger starkare än tyngdkraften, enligt Hyperfysik webbplats. Och det beror på att det binder de grundläggande partiklarna av materia tillsammans för att bilda större partiklar., Den håller ihop kvarkarna som utgör protoner och neutroner, och en del av den starka kraften håller också protoner och neutroner i en atomkärna tillsammans.
ungefär som den svaga kraften fungerar den starka kraften endast när subatomiska partiklar är extremt nära varandra. De måste vara någonstans inom 10^-15 meter från varandra, eller ungefär inom en protons diameter, enligt Hyperfysikwebbplatsen.
den starka kraften är dock udda, eftersom det till skillnad från någon av de andra grundläggande krafterna blir svagare när subatomiska partiklar rör sig närmare varandra., Det når faktiskt maximal styrka när partiklarna är längst bort från varandra, enligt Fermilab. En gång inom räckhåll, massless laddade bosons kallas gluons överföra den starka kraften mellan kvarkar och hålla dem ”limmade” tillsammans. En liten del av den starka kraften som kallas den kvarvarande starka kraften verkar mellan protoner och neutroner. Protoner i kärnan stöter bort varandra på grund av deras liknande laddning, men den kvarvarande starka kraften kan övervinna denna repulsion, så partiklarna förblir bundna i en atoms kärna.,
relaterat: Nuclear Generators Power NASA Deep Space Probes (Infographic)
Unifying nature
den enastående frågan om de fyra grundläggande krafterna är om de faktiskt är manifestationer av bara en enda stor kraft i universum. Om så är fallet bör var och en av dem kunna slå samman med de andra, och det finns redan bevis för att de kan.,
Fysiker Sheldon Glashow och Steven Weinberg från Harvard University med Abdus Salam från Imperial College i London vann Nobelpriset i Fysik 1979 för att förena den elektromagnetiska kraften med den svaga kraften att bilda begreppet electroweak kraft. Fysiker som arbetar för att hitta en så kallad grand unified theory syftar till att förena elektroweakkraften med den starka kraften för att definiera en elektronukleär kraft, vilka modeller har förutspått men forskare har ännu inte observerat., Den sista pusselbiten skulle då kräva enande gravitation med elektronukleär kraft för att utveckla den så kallade teorin om allt, en teoretisk ram som kan förklara hela universum.
fysiker har dock funnit det ganska svårt att slå samman den mikroskopiska världen med den makroskopiska. Vid stora och speciellt astronomiska skalor dominerar gravitationen och beskrivs bäst av Einsteins teori om allmän relativitet. Men vid molekylära, atomära eller subatomiska skalor beskriver kvantmekaniken bäst den naturliga världen., Och hittills har ingen kommit på ett bra sätt att slå samman de två världarna.
fysiker som studerar kvantgravitation syftar till att beskriva kraften i kvantvärlden, vilket kan hjälpa till med sammanfogningen., Grundläggande för detta tillvägagångssätt skulle vara upptäckten av gravitons, den teoretiska kraftbärande Boson av gravitationskraften. Gravitation är den enda grundläggande kraft som fysiker för närvarande kan beskriva utan att använda kraftbärande partiklar. Men eftersom beskrivningar av alla andra grundläggande krafter kräver kraftbärande partiklar, förväntar sig forskare gravitoner måste existera på subatomär nivå-forskare har bara inte hittat dessa partiklar ännu.
ytterligare komplicerar historien är den osynliga sfären av mörk materia och mörk energi, som utgör ungefär 95% av universum., Det är oklart om mörk materia och energi består av en enda partikel eller en hel uppsättning partiklar som har sina egna styrkor och budbärare.
den primära budbärarpartikeln av aktuellt intresse är den teoretiska mörka fotonen, som skulle förmedla interaktioner mellan det synliga och osynliga universum. Om mörka fotoner finns, skulle de vara nyckeln till att upptäcka den osynliga världen av mörk materia och kan leda till upptäckten av en femte grundläggande kraft., Hittills finns det inga bevis för att mörka fotoner finns, och viss forskning har erbjudit starka bevis för att dessa partiklar inte existerar.