Dari berjalan di jalan, melancarkan roket ke angkasa lepas, untuk melekat magnet di peti sejuk anda, kuasa fizikal bertindak di sekeliling kita. Tetapi semua kuasa yang kita alami setiap hari (dan banyak yang kita tidak menyedari yang kita alami setiap hari) boleh dijatuhkan kepada hanya empat kuasa asas:
- Graviti.
- Daya lemah.
- Elektromagnetisme.
- Kekuatan yang kuat.
Ini dipanggil empat kekuatan asas alam semula jadi, dan mereka memerintah semua yang terjadi di alam semesta.
Graviti
Graviti adalah tarikan antara dua objek yang mempunyai massa atau tenaga, sama ada ini dilihat dalam menjatuhkan batu dari jambatan, sebuah planet yang mengorbit bintang atau bulan menyebabkan pasang surut laut. Graviti mungkin adalah yang paling intuitif dan biasa dengan kekuatan asas, tetapi ia juga merupakan salah satu yang paling mencabar untuk dijelaskan.
Ishak Newton adalah yang pertama mencadangkan gagasan graviti, kononnya diilhamkan oleh epal yang jatuh dari pokok. Dia menggambarkan graviti sebagai tarikan literal antara dua objek. Berabad-abad kemudian, Albert Einstein mencadangkan, melalui teori relativiti umum, gravitasi itu bukan daya tarikan atau kekuatan. Sebaliknya, ia adalah akibat daripada objek lentur ruang masa. Objek besar berfungsi pada ruang masa sedikit seperti bagaimana bola besar diletakkan di tengah-tengah lembaran mempengaruhi bahan itu, mengubahnya dan menyebabkan objek lain yang lebih kecil pada lembaran jatuh ke tengah.
Walaupun graviti memegang planet-planet, bintang-bintang, sistem suria dan galaksi bersama-sama, ternyata menjadi lemah kekuatan asas, terutama pada skala molekul dan atom. Fikirkan cara begini: Betapa sukarnya mengangkat bola dari tanah? Atau untuk mengangkat kakimu? Atau untuk melompat? Kesemua tindakan itu menentang graviti seluruh Bumi. Dan pada tahap molekul dan atom, graviti hampir tidak mempunyai kesan berbanding dengan kekuatan asas yang lain.
Daya lemah
Daya lemah, juga dikenali sebagai interaksi nuklear yang lemah, bertanggungjawab terhadap pereputan zarah. Ini adalah perubahan literal satu jenis zarah subatomik ke arah yang lain. Jadi, sebagai contoh, neutrino yang menyekat dekat dengan neutron boleh menjadikan neutron menjadi proton manakala neutrino menjadi elektron.
Fizik menggambarkan interaksi ini melalui pertukaran zarah-zarah yang membawa kekuatan yang dipanggil boson. Jenis boson spesifik bertanggungjawab terhadap daya lemah, daya elektromagnet dan daya yang kuat. Dalam kekuatan lemah, boson dikenakan zarah yang dipanggil W boson dan Z. Apabila zarah-zarah subatomik seperti proton, neutron dan elektron datang dalam 10 ^ -18 meter, atau 0.1% daripada diameter proton, satu sama lain, mereka boleh menukar boson ini. Hasilnya, zarah-zarah subatomic mereput ke dalam zarah-zarah baru, menurut laman web HyperPhysics Georgia State University.
Daya lemah adalah penting untuk reaksi gabungan nuklear yang menguatkan matahari dan menghasilkan tenaga yang diperlukan untuk kebanyakan bentuk kehidupan di Bumi. Ini juga mengapa ahli arkeologi boleh menggunakan karbon-14 hingga kini tulang kuno, kayu dan lain-lain artifak hidup yang dahulu. Karbon-14 mempunyai enam proton dan lapan neutron; salah satu daripada neutron ini meretas menjadi proton untuk membuat nitrogen-14, yang mempunyai tujuh proton dan tujuh neutron. Pereputan ini berlaku pada kadar yang boleh diramal, yang membolehkan saintis menentukan berapa umur artifak tersebut.
Daya elektromagnet
Kekuatan elektromagnetik, juga dipanggil gaya Lorentz, bertindak antara zarah yang dikenakan, seperti elektron bercas negatif dan proton bercas positif. Tuduhan bertentangan saling menarik satu sama lain, sama seperti caj yang ditolak. Semakin besar pertuduhan, semakin besar daya. Dan seperti graviti, daya ini dapat dirasakan dari jarak yang tak terhingga (walaupun daya itu akan sangat, sangat kecil pada jarak itu).
Seperti namanya, daya elektromagnetik terdiri daripada dua bahagian: daya elektrik dan daya magnet. Pada mulanya, ahli fizik menggambarkan tentera ini secara berasingan daripada satu sama lain, tetapi penyelidik kemudian menyedari bahawa kedua-duanya adalah komponen yang sama.
Komponen elektrik bertindak antara zarah yang dikenakan sama ada ia bergerak atau pegun, mewujudkan bidang dengan mana caj tersebut dapat mempengaruhi satu sama lain. Tetapi apabila mula bergerak, zarah-zarah tersebut mula memaparkan komponen kedua, daya magnet. Zarah menghasilkan medan magnet di sekelilingnya semasa bergerak. Oleh itu, apabila elektron zum melalui wayar untuk mengecas komputer atau telefon anda atau menghidupkan TV anda, sebagai contoh, wayar menjadi magnet.
Daya elektromagnet dipindahkan antara zarah-zarah bermuatan melalui pertukaran tanpa bos, boson membawa kekuatan yang disebut foton, yang juga komponen zarah cahaya. Bagaimanapun, foton yang membawa kekuatan yang menukar antara zarah yang dikenakan, adalah manifestasi yang berbeza dari foton. Mereka adalah maya dan tidak dapat dikesan, walaupun mereka secara teknikal adalah zarah yang sama seperti versi sebenar dan dikesan, menurut University of Tennessee, Knoxville.
Kekuatan elektromagnetik bertanggungjawab untuk beberapa fenomena yang paling biasa dialami: geseran, keanjalan, daya biasa dan daya memegang pepejal bersama dalam bentuk yang diberikan. Ia juga bertanggungjawab untuk menyeret burung, kapal terbang dan bahkan pengalaman Superman semasa terbang. Tindakan ini boleh berlaku kerana zarah yang dikenakan (atau dinetralkan) berinteraksi dengan satu sama lain. Daya biasa yang menyimpan buku di atas meja (bukan graviti menarik buku melalui ke tanah), sebagai contoh, adalah akibat daripada elektron di atom meja yang memancarkan elektron dalam atom buku.
Daya nuklear yang kuat
Daya nuklear yang kuat, juga dikenali sebagai interaksi nuklear yang kuat, adalah yang paling kuat dari empat daya asas alam semula jadi. Ia adalah 6000 trilion trilion trilion trilion (itu 39 sifar selepas 6!) Kali lebih kuat daripada kekuatan graviti, menurut laman web HyperPhysics. Dan itu kerana ia mengikat zarah-zarah asas perkara bersama untuk membentuk zarah yang lebih besar. Ia memegang bersama kuark yang membentuk proton dan neutron, dan sebahagian daripada kekuatan yang kuat juga memelihara proton dan neutron nukleus atom bersama-sama.
Sama seperti kekuatan yang lemah, kekuatan kuat beroperasi hanya apabila zarah subatomik sangat rapat antara satu sama lain. Mereka perlu berada di dalam jarak 10 ^ -15 meter antara satu sama lain, atau kira-kira dalam diameter proton, menurut laman web HyperPhysics.
Kekuatan yang kuat adalah ganjil, walaupun, kerana tidak seperti mana-mana kekuatan asas yang lain, ia menjadi lemah apabila zarah subatomik bergerak lebih dekat bersama-sama. Ia sebenarnya mencapai kekuatan maksimum apabila zarah adalah jauh dari satu sama lain, menurut Fermilab. Sekali dalam jarak, boson bermuatan yang tidak dikenali secara besar-besaran yang dipanggil gluon memancarkan daya kuat antara kuark dan membuatnya "terpaku" bersama-sama. Sebahagian kecil daripada daya kuat yang dipanggil daya kuat sisa bertindak antara proton dan neutron. Proton dalam nukleus mengusir satu sama lain kerana caj yang sama, tetapi daya kuat sisa dapat mengatasi penolakan ini, jadi zarah-zarah tetap terikat dalam nukleus atom.
Menyatukan alam semula jadi
Persoalan yang luar biasa dari empat kuasa asas adalah sama ada mereka sebenarnya manifestasi hanya satu kekuatan besar alam semesta. Sekiranya demikian, setiap daripada mereka sepatutnya dapat bergabung dengan yang lain, dan sudah ada bukti bahawa mereka boleh.
Ahli fizikal Sheldon Glashow dan Steven Weinberg dari Harvard University dengan Abdus Salam dari Imperial College London memenangi Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 1979 untuk menyatukan kuasa elektromagnetik dengan daya lemah untuk membentuk konsep kuasa elektroweak. Pakar fizik yang berusaha mencari teori kononnya yang bersatu besar bertujuan untuk menyatukan pasukan elektroweak dengan kekuatan yang kuat untuk menentukan kekuatan elektronuklear, model yang telah diramalkan tetapi penyelidik masih belum diperhatikan. Potongan akhir teka-teki itu kemudiannya memerlukan graviti yang bersatu dengan kekuatan elektronuklear untuk mengembangkan teori yang dipanggil segala-galanya, kerangka teoretis yang dapat menjelaskan seluruh alam semesta.
Fizik, bagaimanapun, telah mendapati ia agak sukar untuk menggabungkan dunia mikroskopik dengan makroskopik. Pada skala besar dan terutama astronomi, graviti menguasai dan digambarkan dengan lebih baik oleh teori relativiti umum Einstein. Tetapi pada skala molekul, atom atau subatomik, mekanik kuantum paling menggambarkan dunia semula jadi. Dan setakat ini, tiada seorang pun yang datang dengan cara yang baik untuk menggabungkan dua dunia ini.
Fizik yang mempelajari graviti kuantum bertujuan untuk menerangkan kekuatan dari segi dunia kuantum, yang dapat membantu penggabungan. Asas untuk pendekatan itu adalah penemuan graviton, boson yang membawa kekuatan teori daya graviti. Graviti adalah satu-satunya daya asas yang boleh digambarkan ahli fizik pada masa ini tanpa menggunakan zarah yang membawa kekuatan. Tetapi kerana perihalan semua kuasa asas yang lain memerlukan zarah yang membawa kekuatan, para saintis mengharapkan graviti mesti wujud di tahap subatomik - para penyelidik tidak dapat menemui zarah tersebut lagi.
Lebih mencetuskan kisah ini adalah alam yang tidak dapat dilihat dari benda gelap dan tenaga gelap, yang membentuk kira-kira 95% alam semesta. Tidak jelas sama ada perkara gelap dan tenaga terdiri daripada satu zarah tunggal atau sebilangan zarah yang mempunyai kuasa dan boson utamanya.
Zaman utusan primer kepentingan semasa adalah foton gelap yang teoritis, yang akan menengahi interaksi antara alam semesta yang terlihat dan tidak kelihatan. Jika foton gelap wujud, mereka akan menjadi kunci untuk mengesan dunia yang tidak kelihatan dari masalah gelap dan boleh membawa kepada penemuan kekuatan asas kelima. Sejauh ini, tidak ada bukti bahawa foton gelap wujud, dan beberapa penyelidikan telah menawarkan bukti kuat bahawa zarah-zarah ini tidak wujud.
