چهار نیروی اساسی در طبیعت

چهار نیروی اساسی در طبیعت
حقایقی در مورد چهار نیروی اساسی که هر تعاملی در طبیعت را توصیف می کنند

چهار نیروی اساسی هر روز بر روی ما عمل می کنند، خواه 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 کوارتت مهم کاهش داد: گرانش، نیروی ضعیف، الکترومغناطیس، و نیروی قوی . این نیروها بر هر چیزی که در کیهان اتفاق می افتد حکومت می کنند.

جاذبه زمین
خواه این جاذبه در پرتاب سنگ از روی پل دیده شود، سیاره ای که به دور ستاره می چرخد یا ماه که باعث جزر و مد اقیانوس می شود . 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. قرن ها بعد، آلبرت انیشتین ، از طریق نظریه نسبیت عام خود ، پیشنهاد کرد که گرانش یک جاذبه یا یک نیرو نیست. در عوض، این نتیجه خم شدن اجسام فضا-زمان است. یک جسم بزرگ روی فضا-زمان کار می کند مانند اینکه چگونه یک توپ بزرگ که در وسط یک صفحه قرار می گیرد روی آن ماده تأثیر می گذارد، آن را تغییر شکل می دهد و باعث می شود که 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، به‌ویژه در مقیاس مولکولی و اتمی است. 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.
مطالب مرتبط: یک رمز و راز غول پیکر در درون هر اتم در جهان پنهان است
نیروی ضعیف
نیروی ضعیف که برهمکنش هسته ای ضعیف نیز نامیده می شود، مسئول فروپاشی ذرات است. این تغییر واقعی یک نوع ذره زیر اتمی به دیگری است. بنابراین، برای مثال، یک یوترینوی n 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 می کنند. انواع خاصی از بوزون ها مسئول نیروی ضعیف، نیروی الکترومغناطیسی و نیروی قوی هستند. در نیروی ضعیف، بوزون ها ذرات باردار به نام بوزون W و Z هستند. وقتی ذرات زیر اتمی مانند پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها در فاصله 18-10 متری یا 0.1 درصد قطر پروتون از یکدیگر قرار گیرند، می توانند این بوزون ها را مبادله کنند. طبق وب سایت HyperPhysics دانشگاه ایالتی جورجیا ، در نتیجه، ذرات زیراتمی به ذرات جدید تجزیه می شوند .
نیروی ضعیف برای واکنش‌های همجوشی هسته‌ای که انرژی خورشید را تامین می‌کند و انرژی مورد نیاز برای اکثر اشکال حیات در اینجا روی زمین را تولید می‌کند، حیاتی است. همچنین به همین دلیل است که باستان شناسان می توانند از کربن 14 برای تاریخ گذاری استخوان، چوب و سایر مصنوعات باستانی استفاده کنند. کربن 14 دارای شش پروتون و هشت نوترون است. یکی از این نوترون ها به پروتون تجزیه می شود تا نیتروژن 14 بسازد که هفت پروتون و هفت نوترون دارد. این پوسیدگی با سرعت قابل پیش بینی اتفاق می افتد و به دانشمندان این امکان را می دهد که قدمت چنین مصنوعاتی را تعیین کنند.

نیروی الکترومغناطیسی
نیروی الکترومغناطیسی که نیروی لورنتس نیز نامیده می‌شود، بین ذرات باردار مانند الکترون‌های با بار منفی و پروتون‌های با بار مثبت عمل می‌کند. بارهای مخالف یکدیگر را جذب می کنند، در حالی که بارهای مشابه دفع می کنند. هرچه بار بیشتر باشد، نیرو بیشتر است. و مانند گرانش، این نیرو را می توان از فاصله بی نهایت 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 می کند و میدانی ایجاد می کند که توسط آن بارها می توانند بر یکدیگر تأثیر بگذارند. اما هنگامی که به حرکت در می آیند، آن ذرات باردار شروع به نمایش جزء دوم، نیروی مغناطیسی می کنند. این ذرات در حین حرکت میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می کنند. بنابراین هنگامی که الکترون ها از طریق سیم زوم می کنند تا کامپیوتر یا تلفن شما را شارژ کنند یا تلویزیون شما را روشن کنند، برای مثال، سیم مغناطیسی می شود
نیروهای الکترومغناطیسی بین ذرات باردار از طریق تبادل بوزون های بدون جرم و حامل نیرو به نام فوتون ها که اجزای ذرات نور نیز هستند، منتقل می شوند. فوتون‌های حامل نیرو که بین ذرات باردار مبادله می‌شوند، تجلی متفاوتی از فوتون‌ها هستند. طبق 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 متداول ترین پدیده های تجربه شده است: اصطکاک، کشش، نیروی عادی و نیرویی که جامدات را در یک شکل معین در کنار هم نگه می دارد. حتی مسئول کششی است که پرندگان، هواپیماها و حتی سوپرمن هنگام پرواز تجربه می کنند. این اعمال می توانند به دلیل تعامل ذرات باردار (یا خنثی شده) با یکدیگر رخ دهند. نیروی طبیعی که یک کتاب را بالای میز نگه می‌دارد (به‌جای اینکه گرانش کتاب را به زمین بکشد)، برای مثال، پیامد دفع الکترون‌های موجود در اتم‌های جدول، الکترون‌های موجود در اتم‌های کتاب است.

نیروی هسته ای قوی
نیروی هسته ای قوی که برهمکنش هسته ای قوی نیز نامیده می شود، قوی ترین نیروی هسته ای از چهار نیروی اساسی طبیعت است. بر اساس وب سایت HyperPhysics، این 6 هزار تریلیون تریلیون تریلیون (یعنی 39 صفر بعد از 6!) بار قوی تر از نیروی گرانش است . و این به این دلیل است که ذرات اساسی ماده را به یکدیگر متصل می کند 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 می کند که ذرات زیر اتمی بسیار نزدیک به یکدیگر باشند. آنها باید در فاصله 10-15 متری از یکدیگر یا تقریباً در قطر یک پروتون باشند.
با این حال، نیروی قوی عجیب است، زیرا برخلاف هر یک از نیروهای بنیادی دیگر، با نزدیک شدن ذرات زیراتمی ضعیف‌تر می‌شود. به گفته Fermilab، در واقع زمانی به حداکثر قدرت می رسد 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 های 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
سؤال 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 می توانند.
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 برنده شدند . 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 یکپارچگی گرانش با نیروی الکتروهسته ای دارد تا نظریه ای به نام همه چیز ایجاد شود ، چارچوبی نظری که می تواند کل جهان را توضیح دهد.
با این حال، فیزیکدانان ادغام دنیای میکروسکوپی با دنیای ماکروسکوپی را بسیار دشوار یافته اند. در مقیاس‌های بزرگ و به‌ویژه نجومی، گرانش غالب است و نظریه نسبیت عام انیشتین آن را به بهترین نحو توصیف می‌کند. اما در مقیاس های مولکولی، اتمی یا زیراتمی، مکانیک کوانتومی به بهترین شکل جهان طبیعی را توصیف می کند. و تا کنون هیچکس راه خوبی برای ادغام این دو جهان پیدا نکرده است.

هدف فیزیکدانانی که گرانش کوانتومی را مطالعه می کنند، این نیرو را بر حسب دنیای کوانتومی توصیف می کنند، که می تواند 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 به ذرات حامل نیرو نیاز دارد، دانشمندان انتظار دارند که گراویتون‌ها باید در سطح زیراتمی وجود داشته باشند – محققان هنوز این ذرات را پیدا نکرده‌اند.
پیچیده تر از این داستان، قلمرو نامرئی ماده تاریک و انرژی تاریک است که تقریباً 95٪ از جهان را تشکیل می دهد. مشخص نیست که آیا ماده و انرژی تاریک از یک ذره تشکیل شده است یا مجموعه ای کامل از ذراتی که نیروها و بوزون های پیام رسان خود را دارند.
ذره پیام رسان اصلی مورد توجه فعلی فوتون تاریک نظری است که برهمکنش بین جهان مرئی و نامرئی را واسطه می کند. 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

برگردان به پارسی : سمیرا داتلی بیگی
منابع اضافی:

ویدیویی در مورد نیروهای بنیادی طبیعت از آکادمی خان تماشا کنید.
درباره متحد کردن نیروهای بنیادی از سرن بیشتر بخوانید .
در مورد چگونگی عملکرد نیروهای بنیادی در مدل استاندارد ، از سرن بیشتر بخوانید.
به تالارهای فضایی ما بپیوندید تا در مورد جدیدترین ماموریت ها، آسمان شب و موارد دیگر صحبت کنید! و اگر نکته خبری، تصحیح یا نظری دارید، به ما اطلاع دهید: community@space.com.

خبرنامه Space.com را دریافت کنید

سرچشمه ها:

https://www.space.com/four-fundamental-forces.html#:~:text=A%20tiny%20fraction%20of%20the,(opens%20in%20new%20tab).

The Four Fundamental Forces of Nature