Cele patru forțe fundamentale ale naturii

Toate forțele pe care le experimentăm în viaţa de zi cu zi, dar şi altele despre care nu ne dăm seama că  acționează în permanenţă în jurul nostru, pot fi reduse la doar patru forțe fundamentale:

• Gravitaţia.
• Forța nucleară slabă.
• Forța electromagnetică.
• Forța nucleară tare.

Acestea sunt cele patru forțe fundamentale ale naturii care guvernează tot ceea ce se întâmplă în Univers.

Cele patru forțe fundamentale ale naturii stau la baza fiecărei interacțiuni din Univers. Credit: NASA/Shutterstock)

Gravitaţia

Gravitaţia reprezintă atracția dintre două obiecte care au masă sau energie, indiferent dacă ne referim la mişcarea unei pietre ce a fost aruncată de pe un pod, la deplasarea unei planete în jurul unei stele sau la mişcarea Lunii în jurul Pământului. cea care provoacă mareele oceanice.

Gravitaţia este probabil cea mai intuitivă și familiară dintre forțelor fundamentale, dar explicarea acesteia a fost și încă este una dintre cele mai mari provocări din ştiinţă.

Isaac Newton a fost primul care a propus ideea gravitației, fiind inspirat, se spune, de căderea unui măr dintr-un copac. El a descris gravitația ca pe o atracție efectivă între două obiecte.

Secole mai târziu, Albert Einstein a sugerat, prin teoria relativității generale, că gravitația nu este o atracție sau o forță. În schimb, gravitaţia ar fi o consecință a obiectelor care deformează spațiu-timpul.

Conform lui Einstein, un obiect masiv acţionează în spațiu-timp similar modului cum o bilă plasată în mijlocul unei foi provoacă deformarea acesteia, cauzând la rândul ei deplasarea altor obiecte mai mici de pe foaie spre mijlocul acesteia.

Gravitaţia. Credit: koya979, Shutterstock

Deși gravitația acţionează la nivelul planetelor, stelelor, sistemelor stelare și chiar al galaxiilor, ea este cea mai slabă dintre forțele fundamentale din natură, în special la nivelul moleculelor și atomilor.

Cât este de greu să ridicăm o minge de pe sol sau să sărim? Gândiţi-vă doar că toate aceste acțiuni contracarează atracția gravitațională a întregului Pământ, iar la nivel molecular și atomic gravitația nu are aproape niciun efect în raport cu celelalte forțe fundamentale.

Forța nucleară slabă

Forța nucleară slabă, numită și interacțiunea nucleară slabă, este responsabilă pentru dezintegrarea particulelor şi transformarea unei particule subatomice dintr-un tip în alt tip. De exemplu, în urma apropierii unui neutrino de un neutron, neutronul se poate transforma într-un proton în timp ce neutrino devine un electron.

Fizicienii descriu această interacțiune prin schimbul de particule purtătoare de forță denumite bosoni. Bosoni diferiți sunt responsabili pentru forța nucleară slabă, forța electromagnetică și forța nucleară tare.

În cazul forței nucleare slabe, bosonii implicaţi sunt particule cu sarcina electrică denumite bosoni W și Z. Atunci când particulele subatomice, cum ar fi protonii, neutronii și electronii, se apropie până la o distanţă de 10^-18 metri sau 0,1% din diametrul unui proton, ele pot face schimb de bosoni W şi Z ce intermediază această interacţiune. Ca urmare, particulele subatomice se descompun în alte particule.

Forța nucleară slabă este critică pentru reacțiile de fuziune nucleară care reprezintă sursa de energie a Soarelui.

Soarele. Credit: NASA

Datorită forţei nucleare slabe, arheologii pot folosi izotopul radioactiv carbon 14 pentru a data materia ce conţine carbon, cum ar fi oase, lemn, etc. Carbonul 14 are șase protoni și opt neutroni, iar unul dintre acei neutroni se descompune într-un proton şi produce azot-14, care are șapte protoni și șapte neutroni. Această dezintegrare radioactivă se produce într-un ritm previzibil, ceea ce le permite oamenilor de știință să stabilească vechimea materiei ce conţine carbon.

Forța electromagnetică

Forța electromagnetică, numită și forța Lorentz, acționează între particulele încărcate electric, precum electronii care au o sarcină electrică negativă și protonii care sunt încărcați electric pozitiv. Sarcinile electrice de sens opus se atrag, în timp ce sarcinile electrice de acelaşi semn se resping. Cu cât sarcina electrică este mai mare, cu atât mai mare este şi forța. Precum gravitația, această forță poate fi simțită de la o distanță infinită (deși forța ar fi foarte, foarte mică la distanța respectivă).

Aşa cum indică numele său, forța electromagnetică este formată din forța electrică și forța magnetică. Iniţial, fizicienii au descris aceste forțe ca fiind separate una de alta, dar ulterior cercetătorii au înţeles că cele două forţe sunt componentele aceleiași forțe.

Componenta electrică acționează între particulele încărcate electric, indiferent dacă acestea se mișcă sau nu, creând un câmp prin intermediul căruia sarcinile electrice se pot influența reciproc. În cazul particulelor încărcate electric aflate în mişcare acţionează şi forța magnetică, deoarece particulele creează un câmp magnetic în jurul lor în timp ce se mișcă.

Forțele electromagnetice sunt transferate între particulele încărcate electric prin schimbul unor bosoni fără masă denumiți fotoni, care sunt, de asemenea, componentele luminii. Cu toate acestea, fotonii care intermediază interacţiunea electromagnetică dintre particulele încărcate electric sunt o manifestare diferită a fotonilor. Aceştia sunt particule virtuale, nedetectabile.

Forța electromagnetică este responsabilă pentru unele dintre cele mai frecvente fenomene: frecarea, elasticitatea, forța normală și forța care menţine forma obiectelor. Ea este responsabilă chiar şi pentru rezistenţa la înaintare pe care păsările sau avioanele o întâmpină în timp ce zboară. Toate aceste acțiuni pot apărea ca urmare a interacţiunii dintre particulele încărcate electric.

Forța normală care ține o carte deasupra unei mese este, de asemenea, o consecință a interacţiunii dintre electroni, deoarece electronii din atomii mesei resping electronii din atomii cărții.

Credit: NASA/Shutterstock

 Forța nucleară tare

Forța nucleară tare, numită și interacțiunea nucleară tare, este cea mai puternică dintre cele patru forțe fundamentale ale naturii, fiind de 10^38 ori mai puternică decât gravitaţia.

Forța nucleară tare leagă particulele fundamentale de materie pentru a forma particule mai mari. Ea menține împreună quarcurile care alcătuiesc protonii și neutronii, iar o parte a forței nucleare tari menţine, de asemenea, protonii și neutronii în nucleul unui atom.

La fel ca forța nucleară slabă, forța nucleară tare acționează numai atunci când particulele subatomice sunt extrem de apropiate unele de altele. Acestea trebuie să se afle la o distanţă de 10^-15 metri una de alta sau la o distanţă aproximativ egală cu diametrul unui proton.

Forța nucleară tare este ciudată, deoarece, spre deosebire de oricare dintre celelalte forțe fundamentale ale naturii, ea devine mai slabă pe măsură ce particulele subatomice se apropie între ele.

De fapt, forța nucleară tare este maximă atunci când particulele sunt cel mai îndepărtate unele de altele. Odată ce acestea se află în raza ei de acțiune, gluonii, care sunt bosoni fără masă dar cu sarcina electrică, transmit forța nucleară puternică între quarcuri și îi mențin ”lipiți” împreună.

O mică fracțiune din forța nucleară tare, denumită forța reziduală puternică acționează între protoni și neutroni. Protonii din nucleu se resping între ei deoarece au o sarcină electrică similară, dar forța reziduală puternică poate contracara această respingere, astfel încât particulele să rămână legate în nucleul unui atom.

Unificarea forţelor fundamentale ale naturii

Existenţa celor patru forțe fundamentale ale naturii ridică întrebarea dacă acestea sunt doar nişte manifestări ale unei forțe unice în Univers. Dacă da, atunci fiecare dintre ele ar trebui să poată fuziona cu celelalte și există deja dovezi în acest sens.

Fizicienii Sheldon Glashow și Steven Weinberg au câștigat Premiul Nobel pentru fizică în anul 1979 pentru unificarea forței electromagnetice cu forța nucleară slabă în cadrul forței electroslabe.

Fizicienii care încearcă să găsească o așa-numită teorie unificată urmăresc unificarea forței electroslabe cu forța nucleară tare pentru a defini o forță electronucleară, pe care modelele teoretice au prezis-o, dar pe care cercetătorii nu au observat-o încă.

În final ar trebui unificată gravitația cu forța electronucleară pentru a obţine așa-numita teorie a totului, un cadru teoretic care ar putea explica întregul Univers.

Până în prezent fizicienii nu au reuşit să descrie lumea microscopică şi lumea macroscopică printr-o singură teorie. La scară mare, la nivel astronomic, gravitația domină și aceasta este cel mai bine descrisă de teoria relativității generale a lui Einstein. Cu toate acestea, la scara atomilor şi a particulelor subatomice, mecanica cuantică descrie cel mai bine lumea naturală, iar până acum nimeni nu a reuşit să unifice teoria relativității generale cu mecanica cuantică.

Mulți fizicieni își propun să unifice forțele fundamentale în cadrul unei singure teorii care ar putea explica întregul Univers.

Credit: Shutterstock

Fizicienii care studiază gravitația cuantică urmăresc să descrie forța gravitaţională în termenii mecanicii cuantice. Pentru aceasta se impune însă descoperirea gravitonului, bosonul teoretic al forței gravitaționale.

Gravitația este singura forță fundamentală pe care fizicienii o pot descrie în prezent fără a utiliza particule purtătoare de forță. Deoarece toate celelalte forțe fundamentale sunt descrise cu ajutorul particulelor purtătoare de forță, oamenii de știință se așteaptă ca gravitonul să existe la nivel subatomic, deşi cercetătorii nu au descoperit încă această particulă.

Problema devine şi mai complicată dacă ţinem cont de materia întunecată și energia întunecată, care constituie aproximativ 95% din Univers. Nu este clar dacă materia întunecată și energia întunecată implica existenţa unei noi particule sau a unui întreg set de noi particule cu forțele şi bosonii mesager proprii.

În consecinţă, oamenii de ştiinţă sunt în căutarea fotonului „întunecat”, care ar media interacțiunile dintre universul vizibil și cel invizibil. Dacă fotoni „întunecați” există într-adevăr, atunci lumea invizibilă a materiei întunecate ar putea fi detectată şi astfel s-ar putea descoperi a cincea forţă fundamentală din Univers.

Până în prezent nu există dovezi privind existenţa fotonilor întunecaţi, iar unele cercetări au oferit indicii că aceste particule nu există.

 Traducere după The Four Fundamental Forces of Nature