Van het lopen op straat, het lanceren van een raket de ruimte in, tot het plakken van een magneet op je koelkast, fysieke krachten werken overal om ons heen. Maar alle krachten die we elke dag ervaren (en veel waarvan we niet beseffen dat we ze elke dag ervaren) kunnen worden teruggebracht tot slechts vier fundamentele krachten:
- Zwaartekracht.
- De zwakke kracht.
- Elektromagnetisme.
- De sterke kracht.
Dit worden de vier fundamentele natuurkrachten genoemd en ze besturen alles wat er in het universum gebeurt.
Zwaartekracht
Zwaartekracht is de aantrekkingskracht tussen twee objecten die massa of energie hebben, of dit nu wordt gezien bij het laten vallen van een rots van een brug, een planeet die in een baan om een ster draait of de maan die oceaangetijden veroorzaakt. Zwaartekracht is waarschijnlijk de meest intuïtieve en bekende van de fundamentele krachten, maar het was ook een van de meest uitdagende om uit te leggen.
Isaac Newton was de eerste die het idee van zwaartekracht voorstelde, vermoedelijk geïnspireerd door een appel die uit een boom valt. Hij beschreef de zwaartekracht als een letterlijke aantrekkingskracht tussen twee objecten. Eeuwen later suggereerde Albert Einstein door middel van zijn algemene relativiteitstheorie dat zwaartekracht geen aantrekkingskracht of kracht is. In plaats daarvan is het een gevolg van objecten die ruimte-tijd buigen. Een groot object werkt een beetje op ruimtetijd zoals een grote bal die in het midden van een vel wordt geplaatst, dat materiaal beïnvloedt, het vervormt en ervoor zorgt dat andere, kleinere objecten op het vel naar het midden vallen.
Hoewel de zwaartekracht planeten, sterren, zonnestelsels en zelfs sterrenstelsels bij elkaar houdt, blijkt het de zwakste van de fundamentele krachten te zijn, vooral op moleculaire en atomaire schaal. Zie het op deze manier: hoe moeilijk is het om een bal van de grond te tillen? Of om je voet op te tillen? Of springen? Al deze acties gaan de zwaartekracht van de hele aarde tegen. En op moleculair en atomair niveau heeft de zwaartekracht bijna geen effect ten opzichte van de andere fundamentele krachten.
De zwakke kracht
De zwakke kracht, ook wel de zwakke nucleaire interactie genoemd, is verantwoordelijk voor het verval van deeltjes. Dit is de letterlijke verandering van het ene type subatomair deeltje in een ander. Dus bijvoorbeeld een neutrino dat dicht bij een neutron afdwaalt, kan het neutron in een proton veranderen, terwijl het neutrino een elektron wordt.
Natuurkundigen beschrijven deze interactie door de uitwisseling van krachtdragende deeltjes die bosonen worden genoemd. Specifieke soorten bosonen zijn verantwoordelijk voor de zwakke kracht, elektromagnetische kracht en sterke kracht. In de zwakke kracht zijn de bosonen geladen deeltjes die W- en Z-bosonen worden genoemd. Wanneer subatomaire deeltjes zoals protonen, neutronen en elektronen binnen 10 ^ 18 meter, of 0,1% van de diameter van een proton, van elkaar komen, kunnen ze deze bosonen uitwisselen. Als gevolg hiervan vervallen de subatomaire deeltjes in nieuwe deeltjes, volgens de HyperPhysics-website van de Georgia State University.
De zwakke kracht is cruciaal voor de kernfusiereacties die de zon aandrijven en de energie produceren die nodig is voor de meeste levensvormen hier op aarde. Het is ook waarom archeologen koolstof-14 kunnen gebruiken om oud bot, hout en andere voorheen levende artefacten te dateren. Koolstof-14 heeft zes protonen en acht neutronen; een van die neutronen vervalt tot een proton om stikstof-14 te maken, dat zeven protonen en zeven neutronen heeft. Dit verval gebeurt met een voorspelbare snelheid, waardoor wetenschappers kunnen bepalen hoe oud dergelijke artefacten zijn.
Elektromagnetische kracht
De elektromagnetische kracht, ook wel Lorentz-kracht genoemd, werkt tussen geladen deeltjes, zoals negatief geladen elektronen en positief geladen protonen. Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan, terwijl soortgelijke ladingen afstoten. Hoe groter de lading, hoe groter de kracht. En net als de zwaartekracht, kan deze kracht van een oneindige afstand worden gevoeld (hoewel de kracht op die afstand heel erg klein zou zijn).
Zoals de naam al aangeeft, bestaat de elektromagnetische kracht uit twee delen: de elektrische kracht en de magnetische kracht. Aanvankelijk beschreven natuurkundigen deze krachten als gescheiden van elkaar, maar onderzoekers realiseerden zich later dat de twee componenten van dezelfde kracht zijn.
De elektrische component werkt tussen geladen deeltjes, of ze nu bewegen of stilstaan, waardoor een veld ontstaat waardoor de ladingen elkaar kunnen beïnvloeden. Maar zodra ze in beweging komen, beginnen die geladen deeltjes de tweede component, de magnetische kracht, te vertonen. De deeltjes creëren een magnetisch veld om hen heen terwijl ze bewegen. Dus wanneer elektronen door een draad zoomen om bijvoorbeeld uw computer of telefoon op te laden of uw tv aan te zetten, wordt de draad magnetisch.
Elektromagnetische krachten worden tussen geladen deeltjes overgedragen door de uitwisseling van massaloze, krachtdragende bosonen, fotonen genaamd, die ook de deeltjescomponenten van licht zijn. De krachtdragende fotonen die tussen geladen deeltjes wisselen, zijn echter een andere manifestatie van fotonen. Ze zijn virtueel en niet detecteerbaar, ook al zijn het technisch dezelfde deeltjes als de echte en detecteerbare versie, volgens de University of Tennessee, Knoxville.
De elektromagnetische kracht is verantwoordelijk voor enkele van de meest voorkomende verschijnselen: wrijving, elasticiteit, de normaalkracht en de kracht die vaste stoffen bij elkaar houdt in een bepaalde vorm. Het is zelfs verantwoordelijk voor de weerstand die vogels, vliegtuigen en zelfs Superman ervaren tijdens het vliegen. Deze acties kunnen optreden omdat geladen (of geneutraliseerde) deeltjes met elkaar in wisselwerking staan. De normale kracht die een boek op een tafel houdt (in plaats van dat de zwaartekracht het boek naar de grond trekt), is bijvoorbeeld een gevolg van elektronen in de atomen van de tafel die elektronen afstoten in de atomen van het boek.
De sterke kernkracht
De sterke kernkracht, ook wel de sterke nucleaire interactie genoemd, is de sterkste van de vier fundamentele natuurkrachten. Het is 6 duizend biljoen biljoen biljoen (dat is 39 nullen na 6!) Keer sterker dan de zwaartekracht, volgens de HyperPhysics-website. En dat komt omdat het de fundamentele materiedeeltjes aan elkaar bindt tot grotere deeltjes. Het houdt de quarks bij elkaar die protonen en neutronen vormen, en een deel van de sterke kracht houdt ook de protonen en neutronen van de atoomkern bij elkaar.
Net als de zwakke kracht werkt de sterke kracht alleen wanneer subatomaire deeltjes extreem dicht bij elkaar liggen. Ze moeten ergens binnen 10 ^ -15 meter van elkaar zijn, of ongeveer binnen de diameter van een proton, volgens de HyperPhysics-website.
De sterke kracht is echter vreemd, omdat ze, in tegenstelling tot de andere fundamentele krachten, zwakker wordt naarmate subatomaire deeltjes dichter bij elkaar komen. Het bereikt eigenlijk de maximale sterkte wanneer de deeltjes het verst van elkaar verwijderd zijn, aldus Fermilab. Eenmaal binnen bereik, brengen massaloze geladen bosonen, gluonen genaamd, de sterke kracht tussen quarks over en houden ze aan elkaar "gelijmd". Een klein deel van de sterke kracht, de resterende sterke kracht, werkt tussen protonen en neutronen. Protonen in de kern stoten elkaar af vanwege hun vergelijkbare lading, maar de resterende sterke kracht kan deze afstoting overwinnen, zodat de deeltjes gebonden blijven in de atoomkern.
Verenigend karakter
De openstaande vraag van de vier fundamentele krachten is of ze werkelijk manifestaties zijn van slechts één enkele grote kracht van het universum. Als dat zo is, moet elk van hen kunnen samensmelten met de anderen, en er is al bewijs dat ze dat kunnen.
Natuurkundigen Sheldon Glashow en Steven Weinberg van Harvard University met Abdus Salam van Imperial College London wonnen in 1979 de Nobelprijs voor natuurkunde voor het verenigen van de elektromagnetische kracht met de zwakke kracht om het concept van de elektrozwakke kracht te vormen. Natuurkundigen die werken aan het vinden van een zogeheten grand unified theory, hebben tot doel de elektrozwakke kracht te verenigen met de sterke kracht om een elektronucleaire kracht te definiëren, die modellen hebben voorspeld maar onderzoekers nog niet hebben waargenomen. Het laatste stukje van de puzzel zou dan de zwaartekracht met de elektronenkern moeten verenigen om de zogenaamde theorie van alles te ontwikkelen, een theoretisch raamwerk dat het hele universum zou kunnen verklaren.
Natuurkundigen hebben het echter vrij moeilijk gevonden om de microscopische wereld samen te voegen met de macroscopische. Op grote en vooral astronomische schaal domineert de zwaartekracht en wordt deze het best beschreven door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Maar op moleculaire, atomaire of subatomaire schaal beschrijft de kwantummechanica de natuurlijke wereld het best. En tot nu toe heeft niemand een goede manier bedacht om die twee werelden samen te voegen.
Natuurkundigen die kwantumzwaartekracht bestuderen, proberen de kracht te beschrijven in termen van de kwantumwereld, wat zou kunnen helpen bij het samenvoegen. Fundamenteel voor die benadering zou de ontdekking zijn van gravitonen, het theoretische krachtdragende boson van de zwaartekracht. Zwaartekracht is de enige fundamentele kracht die natuurkundigen momenteel kunnen beschrijven zonder krachtdragende deeltjes te gebruiken. Maar omdat beschrijvingen van alle andere fundamentele krachten krachtdragende deeltjes vereisen, verwachten wetenschappers dat gravitonen op subatomair niveau moeten bestaan - onderzoekers hebben deze deeltjes nog niet gevonden.
Het verhaal wordt verder gecompliceerd door het onzichtbare rijk van donkere materie en donkere energie, die ongeveer 95% van het universum uitmaken. Het is onduidelijk of donkere materie en energie bestaan uit een enkel deeltje of een hele reeks deeltjes die hun eigen krachten en boodschapperbosonen hebben.
Het belangrijkste boodschapperdeeltje dat momenteel interessant is, is het theoretische donkere foton, dat interacties tussen het zichtbare en onzichtbare universum zou bemiddelen. Als er donkere fotonen bestaan, zouden ze de sleutel zijn om de onzichtbare wereld van donkere materie te detecteren en zouden ze kunnen leiden tot de ontdekking van een vijfde fundamentele kracht. Tot dusver is er echter geen bewijs dat er donkere fotonen bestaan, en sommige onderzoeken hebben sterk bewijs geleverd dat deze deeltjes niet bestaan.
