Od chôdze po ulici, odpaľovania rakety do vesmíru, od prilepenia magnetu na chladničku pôsobia všade okolo nás fyzické sily. Ale všetky sily, ktoré prežívame každý deň (a mnohé, ktoré si neuvedomujeme, že ich prežívame každý deň), môžu byť obmedzené iba na štyri základné sily:
- Gravitácia.
- Slabá sila.
- Elektromagnetizmus.
- Silná sila.
Nazývajú sa štyri základné prírodné sily a riadia všetko, čo sa deje vo vesmíre.
Gravitácia
Gravitácia je príťažlivosť medzi dvoma objektmi, ktoré majú hmotu alebo energiu, či už je to vidieť pri páde skaly z mosta, planéty obiehajúcej okolo hviezdy alebo mesiaca, ktoré spôsobujú prílivy oceánu. Gravitácia je pravdepodobne najintuitívnejšia a najznámejšia zo základných síl, ale je tiež jednou z najnáročnejších na vysvetlenie.
Isaac Newton bol prvým, kto navrhol myšlienku gravitácie, údajne inšpirovanú jablkom padajúcim zo stromu. Gravitáciu opísal ako doslovnú príťažlivosť medzi dvoma objektmi. O niekoľko storočí neskôr Albert Einstein prostredníctvom svojej teórie všeobecnej relativity uviedol, že gravitácia nie je príťažlivosťou alebo silou. Namiesto toho je to dôsledok ohýbania objektov časopriestorom. Veľký objekt pracuje trochu časovo tak, ako veľká guľa umiestnená v strede listu ovplyvňuje tento materiál, deformuje ho a spôsobuje, že iné menšie objekty na liste padajú smerom do stredu.
Hoci gravitácia drží planéty, hviezdy, slnečné systémy a dokonca aj galaxie pohromade, ukázalo sa, že je najslabšou zo základných síl, najmä na molekulárnej a atómovej stupnici. Pomysli na to takto: Aké ťažké je zdvihnúť loptu zo zeme? Alebo zdvihnúť nohu? Alebo skočiť? Všetky tieto akcie pôsobia proti gravitácii celej Zeme. A na molekulárnej a atómovej úrovni nemá gravitácia takmer žiadny účinok v porovnaní s ostatnými základnými silami.
Slabá sila
Slabá sila, tiež nazývaná slabá jadrová interakcia, je zodpovedná za rozpad častíc. Toto je doslovná zmena jedného typu subatomickej častice na inú. Napríklad neutrino, ktoré zablúdi blízko neutrónu, môže z neutrónu urobiť protón, zatiaľ čo neutrino sa stane elektrónom.
Fyzici opisujú túto interakciu prostredníctvom výmeny častíc nesúcich silu nazývaných bozóny. Za slabú silu, elektromagnetickú silu a silnú silu sú zodpovedné konkrétne druhy bozónov. Pri slabej sile sú bozóny nabité častice nazývané W a Z bozóny. Keď subatomické častice, ako sú protóny, neutróny a elektróny, ležia vo vzdialenosti 10 až 18 metrov alebo 0,1% priemeru protónu, môžu tieto bozóny vymeniť. Ako vyplýva z webovej stránky HyperPhysics Georgia State University, v dôsledku toho sa subatomické častice rozpadnú na nové častice.
Slabá sila je kritická pre jadrové fúzne reakcie, ktoré poháňajú slnko a produkujú energiu potrebnú pre väčšinu životných foriem tu na Zemi. To je tiež dôvod, prečo archeológovia môžu používať uhlík-14 k dnešnému dňu starej kosti, dreva a ďalších predtým žijúcich artefaktov. Uhlík-14 má šesť protónov a osem neutrónov; jeden z týchto neutrónov sa rozpadne na protón a vytvorí dusík-14, ktorý má sedem protónov a sedem neutrónov. Tento úpadok nastáva predvídateľnou rýchlosťou, čo umožňuje vedcom určiť, ako staré sú tieto artefakty.
Elektromagnetická sila
Elektromagnetická sila, tiež nazývaná Lorentzova sila, pôsobí medzi nabitými časticami, ako sú záporne nabité elektróny a pozitívne nabité protóny. Opačné poplatky navzájom priťahujú, zatiaľ čo poplatky sa odrazia. Čím je náboj väčší, tým väčšia je sila. A podobne ako gravitácia, táto sila sa dá cítiť z nekonečnej vzdialenosti (aj keď sila by bola v tejto vzdialenosti veľmi, veľmi malá).
Ako už názov napovedá, elektromagnetická sila pozostáva z dvoch častí: elektrickej sily a magnetickej sily. Fyzici spočiatku opisovali tieto sily ako navzájom oddelené, ale vedci si neskôr uvedomili, že tieto dve zložky sú súčasťou rovnakej sily.
Elektrická zložka pôsobí medzi nabitými časticami, či už sa pohybujú alebo stacionárne, čím vytvára pole, pomocou ktorého sa môžu náboje navzájom ovplyvňovať. Keď sa však nabité častice uvedú do pohybu, začnú zobrazovať druhú zložku, magnetickú silu. Častice vytvárajú okolo seba magnetické pole, keď sa pohybujú. Keď sa napríklad elektróny priblížia drôtom, aby nabili počítač alebo telefón alebo zapli televízor, drôt sa stane magnetickým.
Elektromagnetické sily sa prenášajú medzi nabitými časticami prostredníctvom výmeny bezbunkových síl prenášajúcich bozóny nazývané fotóny, ktoré sú tiež časticami svetla. Fotóny nesúce silu, ktoré sa vymieňajú medzi nabitými časticami, sú však odlišným prejavom fotónov. Podľa University of Tennessee v Knoxville sú virtuálne a nezistiteľné, aj keď sú technicky rovnaké častice ako skutočná a zistiteľná verzia.
Elektromagnetická sila je zodpovedná za niektoré z najbežnejších javov: trenie, elasticita, normálna sila a sila, ktorá udržiava pevné látky spolu v danom tvare. Je dokonca zodpovedný za odpor, ktorý vtáky, lietadlá a dokonca aj zážitok zo Supermana za letu. Tieto účinky sa môžu vyskytnúť z dôvodu vzájomného pôsobenia nabitých (alebo neutralizovaných) častíc. Normálna sila, ktorá drží knihu na vrchole tabuľky (namiesto gravitácie, ktorá knihu ťahá k zemi), je napríklad dôsledkom elektrónov v atómoch tabuľky, ktoré odpudzujú elektróny v atómoch knihy.
Silná jadrová sila
Silná jadrová sila, tiež nazývaná silná jadrová interakcia, je najsilnejšou zo štyroch základných prírodných síl. Podľa webovej stránky HyperPhysics je to 6 000 biliónov biliónov biliónov (čo je 39 núl po 6!) Krát silnejších ako gravitačná sila. A to preto, že spája základné častice hmoty a vytvára väčšie častice. Drží pohromade kvarky, ktoré tvoria protóny a neutróny, a časť silnej sily tiež udržuje protóny a neutróny jadra atómu spolu.
Rovnako ako slabá sila, silná sila funguje iba vtedy, keď sú subatomické častice extrémne blízko seba. Podľa webovej stránky HyperPhysics musia byť niekde vzdialené 10 až 15 metrov od seba alebo zhruba v priemere protónu.
Silná sila je však zvláštna, pretože na rozdiel od iných základných síl sa slabne, keď sa subatomárne častice pohybujú bližšie k sebe. Podľa Fermilab skutočne dosahuje maximálnu pevnosť, keď sú častice od seba vzdialené. Akonáhle je v dosahu, bezhmotné nabité bozóny nazývané gluóny prenášajú silnú silu medzi kvarkmi a udržujú ich „zlepené“ spolu. Malý zlomok silnej sily nazývaný zvyšková silná sila pôsobí medzi protónmi a neutrónmi. Protóny v jadre sa navzájom odpudzujú kvôli ich podobnému náboju, ale zvyšková silná sila môže toto odporovanie prekonať, takže častice zostávajú viazané v jadre atómu.
Zjednocujúca povaha
Vynikajúcou otázkou štyroch základných síl je, či sú skutočne prejavmi iba jednej veľkej sily vesmíru. Ak áno, každý z nich by mal byť schopný spojiť sa s ostatnými, a už existuje dôkaz, že to dokážu.
Fyzici Sheldon Glashow a Steven Weinberg z Harvardskej univerzity s Abdusom Salamom z Imperial College London získali Nobelovu cenu za fyziku v roku 1979 za zjednotenie elektromagnetickej sily so slabou silou, aby vytvorili koncepciu elektroslabej sily. Cieľom fyzikov, ktorí sa snažia nájsť takzvanú veľkú zjednotenú teóriu, je zjednotiť elektroslabú silu so silnou silou, aby definovala elektronukleárnu silu, ktorú modely predvídali, ale vedci ju zatiaľ nepozorovali. Posledný kúsok skladačky by potom vyžadoval zjednotenie gravitácie s elektrónovou silou, aby sa vyvinula takzvaná teória všetkého, teoretický rámec, ktorý by mohol vysvetliť celý vesmír.
Fyzici však zistili, že je dosť ťažké spojiť mikroskopický svet s makroskopickým. Vo veľkých a najmä astronomických mierkach dominuje gravitácia a najlepšie ju opisuje Einsteinova teória všeobecnej relativity. Ale v molekulárnej, atómovej alebo subatomárnej mierke kvantová mechanika najlepšie popisuje prírodný svet. A zatiaľ nikto neprišiel s dobrým spôsobom, ako spojiť tieto dva svety.
Cieľom fyzikov študujúcich kvantovú gravitáciu je opísať silu z hľadiska kvantového sveta, ktorý by mohol pomôcť pri zlúčení. Základom tohto prístupu by bol objav gravitónov, teoretický bosón gravitačnej sily prenášajúci sily. Gravitácia je jediná základná sila, ktorú môžu fyzici v súčasnosti opísať bez použitia častíc prenášajúcich silu. Ale pretože opis všetkých ostatných základných síl vyžaduje častice prenášajúce sily, vedci očakávajú, že gravitóny musia existovať na subatomárnej úrovni - vedci tieto častice ešte nenájdu.
Ďalšou komplikáciou príbehu je neviditeľná oblasť temnej hmoty a temnej energie, ktorá tvorí zhruba 95% vesmíru. Nie je jasné, či temná hmota a energia pozostávajú z jednej častice alebo celého súboru častíc, ktoré majú svoje vlastné sily a poslové bozóny.
Primárnou častou posla súčasného záujmu je teoretický temný fotón, ktorý by sprostredkoval interakcie medzi viditeľným a neviditeľným vesmírom. Keby existovali temné fotóny, boli by kľúčom k odhaleniu neviditeľného sveta temnej hmoty a mohli by viesť k objaveniu piatej základnej sily. Zatiaľ však neexistuje dôkaz o tom, že by existovali tmavé fotóny, a niektorý výskum ponúkol silný dôkaz, že tieto častice neexistujú.
