De kern van elk atoom is gemaakt van positief geladen protonen en neutrale neutronen. Elektromagnetisme vertelt ons dat protonen elkaar moeten afstoten en dat de kern uit elkaar moet vliegen. We weten ook dat zwaartekracht geen rol speelt op subatomaire schaal, er moet dus een andere kracht in de kern bestaan ​​die sterker is dan de zwaartekracht en het elektromagnetisme. In aanvulling, omdat we deze kracht niet elke dag waarnemen zoals bij zwaartekracht en elektromagnetisme, dan moet het over zeer korte afstanden werken, zeggen, op de schaal van het atoom.

De kracht die de kern bij elkaar houdt, wordt de genoemd sterke kracht , afwisselend de sterke kernkracht of sterke kerninteractie genoemd. In 1935, Hideki Yukawa modelleerde deze kracht en stelde voor dat protonen die met elkaar en met neutronen interageren, een deeltje uitwisselden dat een meson -- later a . genoemd pion -- om de sterke kracht over te brengen.

In de jaren vijftig, natuurkundigen bouwden deeltjesversnellers om de structuur van de kern te onderzoeken. Toen ze met hoge snelheden atomen tegen elkaar lieten botsen, ze vonden de pionen die door Yukawa waren voorspeld. Ze ontdekten ook dat protonen en neutronen waren gemaakt van kleinere deeltjes genaamd quarks . Dus, de sterke kracht hield de quarks bij elkaar, die op hun beurt de kern bij elkaar hielden.

Er moest nog een ander nucleair fenomeen worden verklaard:radioactief verval. Bij bèta-emissie, een neutron vervalt tot een proton, anti-neutrino en elektron (bètadeeltje). Het elektron en anti-neutrino worden uit de kern uitgestoten. De kracht die verantwoordelijk is voor dit verval en deze emissie moet anders en zwakker zijn dan de sterke kracht, dus het is een ongelukkige naam -- de zwakke kracht of de zwakke kernkracht of zwakke nucleaire interactie.

Met de ontdekking van quarks, de zwakke kracht bleek verantwoordelijk te zijn voor het veranderen van het ene type quark in het andere door de uitwisseling van deeltjes genaamd W- en Z-bosonen, die in 1983 werden ontdekt. de zwakke kracht maakt kernfusie in de zon en sterren mogelijk omdat het de waterstofisotoop deuterium kan vormen en samensmelten.

Nu je de vier krachten kunt noemen -- zwaartekracht, elektromagnetisme, de zwakke kracht en de sterke kracht -- we zullen zien hoe ze met elkaar vergelijken en met elkaar omgaan.

De fundamentele krachten vergelijken

Uit de velden van QED en kwantumchromodynamica , of QCD , het gebied van de natuurkunde dat de interacties tussen subatomaire deeltjes en kernkrachten beschrijft, we zien dat veel van de krachten worden overgedragen door objecten die deeltjes uitwisselen, genaamd peilen van deeltjes of ijkbosonen . Deze objecten kunnen quarks zijn, protonen, elektronen, atomen, magneten of zelfs planeten. Dus, hoe brengt het uitwisselen van deeltjes een kracht over? Beschouw twee schaatsers die op enige afstand van elkaar staan. Als de ene schaatser een bal naar de andere gooit, de schaatsers zullen verder uit elkaar gaan. Krachten werken op een vergelijkbare manier.

Natuurkundigen hebben de ijkdeeltjes voor de meeste krachten geïsoleerd. De sterke kracht gebruikt pionen en een ander deeltje genaamd a gluon . De zwakke kracht gebruikt W- en Z-bosonen . De elektromagnetische kracht gebruikt: fotonen . Men denkt dat zwaartekracht wordt overgebracht door een deeltje genaamd a zwaartekracht ; echter, gravitonen zijn nog niet gevonden. Sommige van de ijkdeeltjes die verband houden met de kernkrachten hebben massa, terwijl anderen dat niet doen (elektromagnetisme, zwaartekracht). Omdat elektromagnetische kracht en zwaartekracht over enorme afstanden kunnen werken, zoals lichtjaren, hun ijkdeeltjes moeten met de snelheid van het licht kunnen reizen, misschien zelfs sneller voor gravitonen. Natuurkundigen weten niet hoe zwaartekracht wordt overgedragen. Maar volgens de speciale relativiteitstheorie van Einstein, geen enkel object met massa kan met de snelheid van het licht reizen, dus is het logisch dat fotonen en gravitonen massaloze ijkdeeltjes zijn. In feite, natuurkundigen hebben vast vastgesteld dat fotonen geen massa hebben.

Welke kracht is de machtigste van allemaal? Dat zou de sterke kernkracht zijn. Echter, het werkt alleen over een korte afstand, ongeveer zo groot als een kern. De zwakke kernkracht is een miljoenste zo sterk als de sterke kernkracht en heeft een nog kleiner bereik, kleiner dan de diameter van een proton. De elektromagnetische kracht is ongeveer 0,7 procent zo sterk als de sterke kernkracht, maar heeft een oneindig bereik omdat fotonen die de elektromagnetische kracht dragen met de snelheid van het licht reizen. Eindelijk, zwaartekracht is de zwakste kracht bij ongeveer 6 x 10 ^-29 maal die van de sterke kernkracht. Zwaartekracht, echter, heeft een oneindig bereik.

Natuurkundigen volgen momenteel de ideeën dat de vier fundamentele krachten met elkaar in verband kunnen staan ​​en dat ze vroeg in het universum uit één kracht zijn voortgekomen. Het idee is niet ongekend. Ooit dachten we aan elektriciteit en magnetisme als afzonderlijke entiteiten, maar het werk van Oersted, Faraday, Maxwell en anderen toonden aan dat ze verwant waren. Theorieën die de fundamentele krachten en subatomaire deeltjes met elkaar in verband brengen, worden passend genoemd grote verenigde theorieën . Volgende meer over hen.

De fundamentele krachten verenigen