چهار نیروی اساسی طبیعت
حقایقی در مورد چهار نیروی اساسی که هر تعامل در طبیعت را توصیف می‌کند.
چهار نیروی بنیادی طبیعت در ریشه هر فعل و انفعال در جهان هستند، از جمله سحابی زغال سنگ، کالدول 99 (اعتبار تصویر: NASA، ESA، و R. Sahai)
چهار نیروی اساسی هر روز بر روی ما عمل می‌کنند، چه ما متوجه شویم یا نه. از بازی بسکتبال، پرتاب موشک به فضا، چسباندن آهنربا به یخچال – همه نیروهایی که همه ما هر روز تجربه می‌کنیم را می‌توان به یک نیروی مهم نسبت داد: گرانش، نیروی ضعیف، الکترومغناطیس، و نیروی قوی. این نیروها بر هر چیزی حکومت می‌کنند که در کیهان اتفاق می‌افتد.
جاذبه زمین
گرانش جاذبه بین دو جسمی است که جرم یا انرژی دارند، خواه در پرتاب سنگ از پل، سیاره ای که به دور ستاره می‌چرخد یا ماه دیده شود که باعث جزر و مد اقیانوس می‌شود. گرانش احتمالاً شهودی‌ترین و آشناترین نیروهای اساسی است، اما توضیح آن نیز یکی از چالش‌برانگیزترین نیروها بوده است.
اسحاق نیوتن اولین کسی بود که ایده گرانش را مطرح کرد که ظاهراً از سقوط سیب از درخت الهام گرفته شده بود. او گرانش را به عنوان یک جاذبه واقعی بین دو جسم توصیف کرد. قرن‌ها بعد، آلبرت اینشتین از طریق نظریه نسبیت عام خود پیشنهاد کرد که گرانش یک جاذبه یا یک نیرو نیست. در عوض، این نتیجه خم شدن فضا-زمان از اجسام است. یک جسم بزرگ بر روی فضا-زمان کار می‌کند مانند اینکه چگونه یک توپ بزرگ قرار داده شده در وسط یک ورق بر آن ماده تأثیر می‌گذارد، آن را تغییر شکل می‌دهد و باعث می‌شود اجسام کوچکتر روی ورق به سمت وسط بیفتند.
اگرچه گرانش سیارات، ستارگان، منظومه‌های خورشیدی و حتی کهکشان‌ها را کنار هم نگه می‌دارد، به نظر می‌رسد که ضعیف‌ترین نیروهای بنیادی است، به‌ویژه در مقیاس مولکولی و اتمی. به این موضوع فکر کنید: بلند کردن توپ از روی زمین چقدر سخت است؟ یا برای بلند کردن پا؟ یا برای پریدن؟ همه این اقدامات در حال خنثی کردن گرانش کل زمین هستند و در سطوح مولکولی و اتمی، گرانش تقریباً هیچ تأثیری نسبت به سایر نیروهای اساسی ندارد.
نیروی ضعیف
نیروی ضعیف که برهمکنش هسته‌ای ضعیف نیز نامیده می‌شود، مسئول فروپاشی ذرات است. این تغییر واقعی یک نوع ذره زیر اتمی به دیگری است. بنابراین، برای مثال، نوترینویی که نزدیک به یک نوترون منحرف می‌شود، می‌تواند نوترون را به پروتون تبدیل کند در حالی که نوترینو به یک الکترون تبدیل می‌شود.
فیزیکدانان این برهمکنش را از طریق تبادل ذرات حامل نیرو به نام بوزون توصیف می‌کنند. انواع خاصی از بوزون‌ها مسئول نیروی ضعیف، نیروی الکترومغناطیسی و نیروی قوی هستند. در نیروی ضعیف، بوزون‌ها ذرات باردار به نام بوزون W و Z هستند. وقتی ذرات زیر اتمی مانند پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها به 18-10 متر یا 0.1 درصد قطر پروتون از یکدیگر برسند، می‌توانند این بوزون‌ها را مبادله کنند. در نتیجه، ذرات زیراتمی به ذرات جدید تجزیه می‌شوند.
نیروی ضعیف برای واکنش‌های همجوشی هسته‌ای که انرژی خورشید را تامین می‌کند و انرژی مورد نیاز برای اکثر اشکال حیات حیاتی است که در اینجا روی زمین تولید می‌کند. همچنین به همین دلیل است که باستان‌شناسان می‌توانند از کربن 14 برای تاریخ‌گذاری سن استخوان، چوب و سایر مصنوعات باستانی استفاده کنند. کربن 14 دارای شش پروتون و هشت نوترون است. یکی از این نوترون‌ها به پروتون تجزیه می‌شود تا نیتروژن 14 بسازد که هفت پروتون و هفت نوترون دارد. این تجزیه با سرعت قابل پیش بینی اتفاق می‌افتد و به دانشمندان این امکان را می دهد که قدمت چنین مصنوعاتی را تعیین کنند.
نیروی ضعیف برای واکنش‌های همجوشی هسته‌ای که انرژی خورشید را تامین می‌کند و انرژی مورد نیاز برای اکثر اشکال حیات، حیاتی است. این شراره خورشیدی در ساعت 10:29 صبح به وقت شرقی در تاریخ 3 ژوئیه 2021 به اوج خود رسید (اعتبار تصویر: ناسا)
نیروی الکترومغناطیسی
نیروی الکترومغناطیسی که نیروی لورنتس نیز نامیده می‌شود، بین ذرات باردار مانند الکترون‌های با بار منفی و پروتون‌های باردار مثبت عمل می‌کند. بارهای مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند، در حالی که بارهای مشابه دفع می‌کنند. هرچه بار بیشتر باشد، نیرو بیشتر است و مانند گرانش، این نیرو را می‌توان از فاصله بی‌نهایت احساس کرد (البته این نیرو در آن فاصله بسیار بسیار کم خواهد بود).
همانطور که از نام آن مشخص است، نیروی الکترومغناطیسی از دو بخش تشکیل شده است: نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی. در ابتدا، فیزیکدانان این نیروها را جدا از یکدیگر توصیف کردند، اما محققان بعداً متوجه شدند که این دو اجزای یک نیرو هستند.
جزء الکتریکی بین ذرات باردار چه در حال حرکت و چه ساکن عمل می‌کند و میدانی ایجاد می کند که توسط آن بارها می‌توانند بر یکدیگر تأثیر بگذارند. اما هنگامی که به حرکت در می آیند، آن ذرات باردار شروع به نمایش جزء دوم، نیروی مغناطیسی می‌کنند. این ذرات در حین حرکت میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می‌کنند. بنابراین هنگامی که الکترون‌ها از طریق یک سیم هدایت می‌شوند تا کامپیوتر یا تلفن شما را شارژ کنند یا تلویزیون شما را روشن کنند، سیم مغناطیسی می‌شود.
نیروهای الکترومغناطیسی بین ذرات باردار از طریق تبادل بوزون‌های بدون جرم و حامل نیرو به نام فوتون‌ها منتقل می‌شود که اجزای ذرات نور نیز هستند. فوتون‌های حامل نیرو که بین ذرات باردار مبادله می‌شوند، تجلی متفاوتی از فوتون‌ها هستند. به گفته دانشگاه تنسی، ناکسویل، آنها مجازی و غیرقابل شناسایی هستند، حتی اگر از نظر فنی همان ذرات نسخه واقعی و قابل تشخیص باشند.
نیروی الکترومغناطیسی مسئول برخی از متداول‌ترین پدیده‌های تجربه شده است: اصطکاک، کشش، نیروی عادی و نیرویی که جامدات را در یک شکل معین کنار هم نگه می‌دارد. حتی مسئول کششی است که پرندگان، هواپیماها و حتی سوپرمن هنگام پرواز تجربه می‌کنند. این اعمال می‌تواند به دلیل تعامل ذرات باردار (یا خنثی شده) با یکدیگر اتفاق بیفتد. نیروی طبیعی که کتاب را بالای میز نگه می‌دارد (به‌عنوان مثال، به‌جای اینکه گرانش کتاب را به زمین بکشد)، پیامد دفع الکترون‌های موجود در اتم‌های جدول است.
نیرویی که کتاب را بالای میز نگه می‌دارد (به‌جای اینکه گرانش کتاب را به سمت زمین بکشد)، نتیجه نیروی الکترومغناطیسی است: الکترون‌های موجود در اتم‌های جدول، الکترون‌های موجود در اتم‌های کتاب را دفع می‌کنند. (اعتبار تصویر: NASA/Shutterstock)
نیروی هسته ای قوی
نیروی هسته ای قوی که برهمکنش هسته‌ای قوی نیز نامیده می شود، قوی‌ترین نیروی هسته‌ای از چهار نیروی اساسی طبیعت است. این نیرو 6 هزار تریلیون تریلیون تریلیون (یعنی 39 صفر بعد از 6!) بار قوی‌تر از نیروی گرانش است و این به این دلیل است که ذرات بنیادی ماده را به یکدیگر متصل می‌کند تا ذرات بزرگتر را تشکیل دهند. کوارک‌های تشکیل‌دهنده پروتون‌ها و نوترون‌ها را کنار هم نگه می‌دارد و بخشی از نیروی قوی نیز پروتون‌ها و نوترون‌های هسته اتم را کنار هم نگه می‌دارد.
مانند نیروی ضعیف، نیروی قوی تنها زمانی عمل می‌کند که ذرات زیر اتمی بسیار نزدیک به یکدیگر باشند. آنها باید در فاصله 10-15 متری از یکدیگر یا تقریباً به قطر یک پروتون باشند.
با این حال، نیروی قوی عجیب است، زیرا بر خلاف هر یک از نیروهای بنیادی دیگر، با نزدیک شدن ذرات زیراتمی به هم ضعیف‌تر می‌شود. به گفته فرمی‌لب، در واقع زمانی به حداکثر قدرت می‌رسد که ذرات از یکدیگر دورتر باشند. بوزون‌های باردار بدون جرم که گلوئون نامیده می‌شوند، نیروی قوی بین کوارک‌ها را منتقل می‌کنند و آنها را به هم چسبیده نگه می‌دارند. بخش کوچکی از نیروی قوی به نام نیروی قوی باقیمانده بین پروتون ها و نوترون ها عمل می کند. پروتون ها در هسته به دلیل بار مشابهی که دارند یکدیگر را دفع می کنند، اما نیروی قوی باقیمانده می تواند بر این دافعه غلبه کند، بنابراین ذرات در هسته اتم بسته می مانند.
یکپارچه کننده طبیعت
سوال مهم چهار نیروی بنیادی این است که آیا آنها در واقع مظاهر تنها یک نیروی بزرگ از جهان هستند؟ اگر چنین است، هر یک از آنها باید بتوانند با دیگران ادغام شوند و در حال حاضر شواهدی وجود دارد که می‌توانند ادغام شوند.
فیزیکدانان شلدون گلاشو و استیون واینبرگ از دانشگاه هاروارد به همراه عبدالسلام از امپریال کالج لندن جایزه نوبل فیزیک را در سال 1979 به دلیل یکی کردن نیروی الکترومغناطیسی با نیروی ضعیف برای تشکیل مفهوم نیروی الکتروضعیف دریافت کردند. فیزیکدانانی که برای یافتن نظریه‌ای به‌اصطلاح یکپارچه بزرگ تلاش می‌کنند، هدفشان این است که نیروی الکتروضعیف را با نیروی قوی برای تعریف نیروی الکتروهسته‌ای که مدل‌ها پیش‌بینی کرده‌اند اما محققان هنوز مشاهده نکرده‌اند، متحد کنند. سپس قطعه نهایی پازل نیاز به یکپارچه‌سازی گرانش با نیروی الکتروهسته ای دارد تا به اصطلاح نظریه همه چیز را توسعه دهد، چارچوبی نظری که می‌تواند کل جهان را توضیح دهد.
با این حال، فیزیکدانان ادغام دنیای میکروسکوپی با دنیای ماکروسکوپی را بسیار دشوار یافته‌اند. در مقیاس‌های بزرگ و به ویژه نجومی، گرانش غالب است و نظریه نسبیت عام اینشتین آن را به بهترین شکل توصیف می‌کند. اما در مقیاس‌های مولکولی، اتمی یا زیراتمی، مکانیک کوانتومی به بهترین شکل جهان طبیعی را توصیف می‌کند و تاکنون هیچکس راه خوبی برای ادغام این دو جهان پیدا نکرده است.
هدف بسیاری از فیزیکدانان این است که نیروهای بنیادی را تحت یک نظریه واحد و یکپارچه متحد کنند – چارچوبی نظری که می‌تواند کل جهان را توضیح دهد. (اعتبار تصویر: Shutterstock)
هدف فیزیکدانانی که گرانش کوانتومی را مطالعه می‌کنند، این نیرو را بر حسب دنیای کوانتومی توصیف می‌کنند که می‌تواند به ادغام کمک کند. اساس این رویکرد، کشف گراویتون ها، بوزون نظری نیروی گرانشی است. گرانش تنها نیروی اساسی است که فیزیکدانان در حال حاضر می توانند بدون استفاده از ذرات حامل نیرو توصیف کنند. اما از آنجایی که توصیف همه نیروهای بنیادی دیگر نیاز به ذرات حامل نیرو دارد، دانشمندان انتظار دارند که گراویتون‌ها باید در سطح زیراتمی وجود داشته باشند – محققان هنوز این ذرات را پیدا نکرده‌اند.
پیچیدگی بیشتر داستان، قلمرو نامرئی ماده تاریک و انرژی تاریک است که تقریباً 95٪ از جهان را تشکیل می‌دهند. مشخص نیست که آیا ماده و انرژی تاریک از یک ذره تشکیل شده است یا مجموعه‌ای کامل از ذراتی که نیروها و بوزون‌های پیام‌رسان خود را دارند.
ذره پیام‌رسان اولیه مورد توجه فعلی فوتون تاریک نظری است که برهمکنش بین جهان مرئی و نامرئی را واسطه می‌کند. اگر فوتون‌های تاریک وجود داشته باشند، کلید تشخیص دنیای نامرئی ماده تاریک خواهند بود و می‌توانند منجر به کشف پنجمین نیروی بنیادی شوند. با این حال، تاکنون هیچ مدرکی مبنی بر وجود فوتون‌های تاریک وجود ندارد و برخی تحقیقات شواهد قوی مبنی بر عدم وجود این ذرات ارائه کرده‌اند.
ترجمه: سارا سیدحاتمی
منبع:
The four fundamental forces of nature
By Jeremy Rehm , Ben Biggs published about 3 hours ago
https://www.space.com/four-fundamental-forces.html