Hvad er de fire grundlæggende naturkræfter?

Mens du sidder foran din computer og læser denne artikel, du er muligvis uvidende om de mange kræfter, der virker på dig. EN kraft er defineret som et skub eller træk, der ændrer et objekts bevægelsestilstand eller får objektet til at deformere. Newton definerede en kraft som alt, der fik et objekt til at accelerere - F =ma, hvor F er kraft, m er masse og -en er acceleration.

Den velkendte kraft af tyngdekraft trækker dig ned i dit sæde, mod Jordens centrum. Du føler det som din vægt. Hvorfor falder du ikke ned af dit sæde? Godt, en anden kraft, elektromagnetisme , holder atomerne på dit sæde sammen, forhindrer dine atomer i at trænge ind i dem på dit sæde. Elektromagnetiske interaktioner i din computerskærm er også ansvarlige for at generere lys, der giver dig mulighed for at læse skærmen.

Tyngdekraft og elektromagnetisme er blot to af de fire grundlæggende naturkræfter, specifikt to, som du kan observere hver dag. Hvad er de to andre, og hvordan påvirker de dig, hvis du ikke kan se dem?

De resterende to kræfter arbejder på atomniveau, som vi aldrig føler, på trods af at de er lavet af atomer. Det stærk kraft holder kernen sammen. Endelig, det svag kraft er ansvarlig for radioaktivt henfald, specifikt, beta henfald, hvor en neutron i kernen ændres til en proton og en elektron, som skubbes ud fra kernen.

Uden disse grundlæggende kræfter, du og alt det andet stof i universet ville falde fra hinanden og flyde væk. Lad os se på hver grundlæggende kraft, hvad hver især gør, hvordan det blev opdaget, og hvordan det forholder sig til de andre.

1. Tyngdekraften får dig ned?
2. Hold det sammen med elektromagnetisme
3. Må atomkraftværkerne være med dig
4. Sammenligning af de grundlæggende kræfter
5. Forener de grundlæggende kræfter

Tyngdekraften får dig ned?

Den første kraft, du nogensinde blev opmærksom på, var sandsynligvis tyngdekraften. Som et lille barn, du var nødt til at lære at rejse dig imod det og gå. Når du snublede, du følte straks tyngdekraften bringe dig tilbage til gulvet. Udover at give småbørn problemer, tyngdekraften holder månen, planeter, sol, stjerner og galakser sammen i universet i deres respektive baner. Det kan arbejde over enorme afstande og har en uendelig rækkevidde.

Isaac Newton forestillede sig tyngdekraften som et træk mellem to objekter, der var direkte relateret til deres masser og omvendt relateret til kvadratet i afstanden, der adskiller dem. Hans gravitationslov gjorde det muligt for menneskeheden at sende astronauter til månen og robotprober til yderområderne af vores solsystem. Fra 1687 til begyndelsen af ​​det 20. århundrede, Newtons idé om tyngdekraften som en "tovtrækkeri" mellem to objekter dominerede fysik.

Men et fænomen, Newtons teorier ikke kunne forklare, var Merkurius 'sære bane. Selve kredsløbet syntes at rotere (også kendt som presession). Denne observation frustrerede astronomer siden midten af ​​1800-tallet. I 1915, Albert Einstein indså, at Newtons love om bevægelse og tyngdekraft ikke gjaldt for objekter i høj tyngdekraft eller ved høje hastigheder, som lysets hastighed.

I hans generelle relativitetsteori, Albert Einstein forestillede sig tyngdekraften som en forvrængning af rummet forårsaget af masse. Forestil dig, at du placerer en bowlingbold midt på et gummiplade. Bolden gør en fordybning i arket (en tyngdekraftsbrønd eller tyngdekraftsfelt). Hvis du ruller en marmor mod bolden, det vil falde ind i fordybningen (blive tiltrukket af bolden) og kan endda cirkulere bolden (kredsløb), før den rammer. Afhængig af marmorens hastighed, det kan undslippe depressionen og passere bolden, men depressionen kan ændre marmorens vej. Tyngdekraftsfelter omkring massive genstande som solen gør det samme. Einstein udledte Newtons tyngdelov fra sin egen relativitetsteori og viste, at Newtons ideer var et særligt tilfælde af relativitet, specifikt en, der gælder for svag tyngdekraft og lave hastigheder.

Når man overvejer massive objekter (Jorden, stjerner, galakser), tyngdekraften synes at være den mest kraftfulde kraft. Imidlertid, når du anvender tyngdekraften til atomniveauet, det har ringe effekt, fordi masserne af subatomære partikler er så små. På dette niveau, det er faktisk nedprioriteret til den svageste kraft.

Lad os se på elektromagnetisme, den næste grundlæggende kraft.

Hold det sammen med elektromagnetisme

Hvis du børster dit hår flere gange, dit hår kan stå på enden og blive tiltrukket af børsten. Hvorfor? Børstens bevægelse tilfører hvert hår elektriske ladninger, og de identisk ladede individuelle hår afviser hinanden. Tilsvarende hvis du placerer identiske poler med to stangmagneter sammen, de vil afvise hinanden. Men sæt de modsatte poler af magneterne tæt på hinanden, og magneterne vil tiltrække hinanden. Disse er kendte eksempler på elektromagnetisk kraft; modsatte afgifter tiltrækker, mens lignende afgifter afviser.

Forskere har studeret elektromagnetisme siden 1700 -tallet, med flere, der giver bemærkelsesværdige bidrag.

• I 1785, den berømte franske fysiker Charles Coulomb beskrev kraften af ​​elektrisk ladede objekter som direkte proportional med ladningernes størrelse og omvendt relateret til kvadratet på afstandene mellem dem. Ligesom tyngdekraften, elektromagnetisme har en uendelig rækkevidde.
• I 1819, Den danske fysiker Hans Christian Oersted opdagede, at elektricitet og magnetisme i høj grad hænger sammen, får ham til at erklære, at en elektrisk strøm genererer en magnetisk kraft.
• Den britiskfødte fysiker og kemiker Michael Faraday vejede ind på elektromagnetisme, viser, at magnetisme kunne bruges til at generere elektricitet i 1839.
• I 1860'erne, James Clerk Maxwell, den skotske matematik og fysik suser, afledte ligninger, der beskrev, hvordan elektricitet og magnetisme var relateret.
• Endelig, Hollænderen Hendrik Lorentz beregnede kraften, der virkede på en ladet partikel i et elektromagnetisk felt i 1892.

Da forskere udarbejdede atomets struktur i begyndelsen af ​​det 20. århundrede, de lærte, at subatomære partikler udøvede elektromagnetiske kræfter på hinanden. For eksempel, positivt ladede protoner kunne holde negativt ladede elektroner i kredsløb omkring kernen. Desuden, elektroner af et atom tiltrak protoner fra nabostatomer til at danne et resterende elektromagnetisk kraft , som forhindrer dig i at falde gennem din stol.

Men hvordan fungerer elektromagnetisme på et uendeligt område i den store verden og en kort rækkevidde på atomniveau? Fysikere troede, at fotoner overførte elektromagnetisk kraft over store afstande. Men de måtte udtænke teorier for at forene elektromagnetisme på atomniveau, og dette førte til feltet kvanteelektrodynamik ( QED ). Ifølge QED, fotoner transmitterer elektromagnetisk kraft både makroskopisk og mikroskopisk; imidlertid, subatomære partikler udveksler konstant virtuelle fotoner under deres elektromagnetiske interaktioner.

Men elektromagnetisme kan ikke forklare, hvordan kernen holder sammen. Det er her atomkræfterne spiller ind.

Må atomkraftværkerne være med dig

Kernen i ethvert atom består af positivt ladede protoner og neutrale neutroner. Elektromagnetisme fortæller os, at protoner skal afvise hinanden, og kernen skal flyve fra hinanden. Vi ved også, at tyngdekraften ikke spiller en rolle på en subatomær skala, så der skal eksistere en anden kraft i kernen, der er stærkere end tyngdekraften og elektromagnetismen. Ud over, da vi ikke opfatter denne kraft hver dag, som vi gør med tyngdekraften og elektromagnetisme, så skal den fungere over meget korte afstande, sige, på atomets skala.

Kraften, der holder kernen sammen, kaldes stærk kraft , skiftevis kaldet den stærke atomkraft eller stærke nukleare interaktion. I 1935, Hideki Yukawa modellerede denne kraft og foreslog, at protoner, der interagerer med hinanden og med neutroner, udvekslede en partikel kaldet en meson - senere kaldet a pion - at overføre den stærke kraft.

I 1950'erne, fysikere byggede partikelacceleratorer for at udforske kernens struktur. Da de styrtede atomer sammen i høje hastigheder, de fandt pioner forudsagt af Yukawa. De fandt også ud af, at protoner og neutroner var lavet af mindre partikler kaldet kvarker . Så, den stærke kraft holdt kvarkerne sammen, som igen holdt kernen sammen.

Et andet atomfænomen skulle forklares:radioaktivt henfald. Ved beta -emission, en neutron henfalder til en proton, anti-neutrino og elektron (beta-partikel). Elektronen og anti-neutrino skubbes ud af kernen. Kraften, der er ansvarlig for dette forfald og emission, skal være anderledes og svagere end den stærke kraft, derfor er det uheldige navn - the svag kraft eller den svage atomkraft eller svage nukleare interaktion.

Med opdagelsen af ​​kvarker, den svage kraft viste sig at være ansvarlig for at ændre en type kvark til en anden gennem udveksling af partikler kaldet W og Z bosoner, som blev opdaget i 1983. I sidste ende, den svage kraft gør atomfusion i solen og stjernerne mulig, fordi den tillader hydrogenisotopen deuterium at danne og smelte sammen.

Nu hvor du kan navngive de fire kræfter - tyngdekraften, elektromagnetisme, den svage kraft og den stærke kraft - vi får se, hvordan de sammenligner og interagerer med hinanden.

Sammenligning af de grundlæggende kræfter

Fra felterne QED og kvantekromodynamik , eller QCD , det fysiske felt, der beskriver samspillet mellem subatomære partikler og atomkræfter, vi ser, at mange af kræfterne overføres af genstande, der udveksler partikler kaldet målepartikler eller måle bosoner . Disse objekter kan være kvarker, protoner, elektroner, atomer, magneter eller endda planeter. Så, hvordan sender partikler udveksling en kraft? Overvej to skøjteløbere, der står et stykke fra hinanden. Hvis den ene skater løber en bold til den anden, skaterne vil bevæge sig længere væk fra hinanden. Styrker arbejder på en lignende måde.

Fysikere har isoleret målerpartiklerne for de fleste kræfter. Den stærke kraft bruger pioner og en anden partikel kaldet a gluon . Den svage kraft bruger W og Z bosoner . Den elektromagnetiske kraft bruger fotoner . Tyngdekraften menes at blive formidlet af en partikel kaldet a graviton ; imidlertid, gravitoner er ikke fundet endnu. Nogle af målepartiklerne forbundet med atomkræfterne har masse, mens andre ikke gør det (elektromagnetisme, tyngdekraft). Fordi elektromagnetisk kraft og tyngdekraft kan fungere over store afstande som lysår, deres målepartikler skal kunne bevæge sig med lysets hastighed, måske endnu hurtigere for gravitons. Fysikere ved ikke, hvordan tyngdekraften overføres. Men ifølge Einsteins teori om særlig relativitet, intet objekt med masse kan rejse med lysets hastighed, så det giver mening, at fotoner og gravitoner er masseløse målepartikler. Faktisk, fysikere har fastslået, at fotoner ikke har nogen masse.

Hvilken kraft er den mægtigste af dem alle? Det ville være den stærke atomkraft. Imidlertid, det virker kun over en kort rækkevidde, omtrent på størrelse med en kerne. Den svage atomkraft er en milliontedel så stærk som den stærke atomkraft og har en endnu kortere rækkevidde, mindre end en protons diameter. Den elektromagnetiske kraft er cirka 0,7 procent så stærk som den stærke atomkraft, men har et uendeligt område, fordi fotoner, der bærer den elektromagnetiske kraft, bevæger sig med lysets hastighed. Endelig, tyngdekraften er den svageste kraft ved omkring 6 x 10 ^-29 gange den stærke atomkrafts kraft. Tyngdekraft, imidlertid, har en uendelig rækkevidde.

Fysikere forfølger i øjeblikket ideerne om, at de fire grundlæggende kræfter kan være relaterede, og at de er sprunget ud af en kraft tidligt i universet. Ideen er ikke uden fortilfælde. Vi tænkte engang på elektricitet og magnetisme som separate enheder, men Oersteds arbejde, Faraday, Maxwell og andre viste, at de var i familie. Teorier, der relaterer de grundlæggende kræfter og subatomære partikler, kaldes passende store forenede teorier . Mere om dem næste gang.

Forener de grundlæggende kræfter

Videnskaben hviler aldrig, så arbejdet med grundlæggende kræfter er langt fra færdigt. Den næste udfordring er at konstruere en stor samlet teori om de fire kræfter, en særlig vanskelig opgave, da forskere har kæmpet for at forene teorier om tyngdekraften med kvantemekanikkens.

Det er her partikelacceleratorer, som kan forårsage kollisioner ved højere energier, komme til nytte. I 1963, fysikere Sheldon Glashow, Abdul Salam og Steve Weinberg foreslog, at den svage atomkraft og elektromagnetiske kraft kan kombinere ved højere energier i det, der ville blive kaldt elektrisk svag kraft . De forudsagde, at dette ville ske ved en energi på omkring 100 giga-elektronvolt (100GeV) eller en temperatur på 10 ¹⁵ K, som fandt sted kort efter Big Bang. I 1983, fysikere nåede disse temperaturer i en partikelaccelerator og viste, at den elektromagnetiske kraft og den svage atomkraft var relateret.

Teorier forudsiger, at den stærke kraft vil forene sig med den svage kraft ved energier over 10 ¹⁵ GeV og at alle kræfterne kan forene sig ved energier over 10 ¹⁹ GeV. Disse energier nærmer sig temperaturen ved den tidligste del af Big Bang. Fysikere bestræber sig på at bygge partikelacceleratorer, der kan nå disse temperaturer. Den største partikelaccelerator er Large Hadron Collider på CERN i Genève, Schweiz. Når det kommer online, det vil være i stand til at accelerere protoner til 99,99 procent lysets hastighed og nå kollisionsenergier på 14 tera-elektronvolt eller 14 TeV, hvilket er lig med 14, 000 GeV eller 1,4 x 10 ⁴ GeV.

Hvis fysikere kan vise, at de fire grundlæggende kræfter faktisk kom fra en samlet kraft, da universet afkøledes fra Big Bang, vil det ændre dit daglige liv? Sikkert ikke. Imidlertid, det vil fremme vores forståelse af kræfternes natur, samt universets oprindelse og skæbne.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer atomerne
• Sådan fungerer Atom Smashers
• Sådan fungerer atomstråling
• Sådan fungerer lys
• Sådan fungerer elektromagneter
• Sådan fungerer Newtons bevægelseslove
• Hvordan virker tyngdekraften?
• Sådan fungerer særlig relativitet
• Sådan fungerer Big Bang -teorien
• Sådan fungerer elektricitet

Flere store links

• Moderne fysikuddannelsesprojekt "Partikeleventyret"
• HyperPhysics:Fundamental Forces
• NASA:Spørg en astrofysiker

Kilder

• Brink, L. "Kræfter". Nobelprize.org. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/brink/index.html
• Feynman, Richard P. "QED:The Strange Theory of Light and Matter . " Pingvin bøger. 1990.
• Hyperfysik. "Feynman -diagrammer." Georgia State University. Http://230nsc1.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/expar.html#c2
• Hyperfysik. "Grundlæggende kræfter." Georgia State University. Http://230nsc1.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/f unfor.html
• Fysik værktøjskasse. "Partikelinteraktioner." http://www.mjburns.net/SPH4U/SPH%20Unit%2013.3.pdf
• Fysik Van. "Fotoner som bærere af elektromagnetisk kraft." University of Illinois-Urbana Champaign. Http://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php? Id =2348
• USA/LHC. "Particle Physics at Discovery's Horizon." Http://www.uslhc.us/What_is_the_LHC