Acum, stand in fata calculatorului si citind acest articol, este posibil sa nu fii constient de numeroasele forte care actioneaza asupra ta. O forta este definita ca o impingere sau tragere, care modifica starea de miscare a unui obiect sau cauzeaza deformarea obiectului. Newton a definit forta ca fiind ceva care determina un obiect sa accelereze. Forta familiara a gravitatiei te trage in jos pe scaunul pe care stai, spre centrul Pamantului. O simti ca fiind greutatea ta. De ce nu cazi prin scaun? Ei bine, o alta forta, numita electromagnetism, mentine atomii scaunului impreuna, astfel incat atomii tai nu ii pot deranja pe cei ai scaunului. Interactiunile electromagnetice in monitorul computerului sunt deasemenea responsabile pentru generarea luminii care iti permite sa citesti ce se afla pe ecran.
Gravitatia si electromagnetismul sunt doar doua dintre fortele din interiorul materiei, in mod specific, cele doua forte pe care le putem observa zilnic. Care sunt celelalte doua forte si cum te pot afecta daca nu le poti vedea? Celelalte doua forte lucreaza la nivel atomic, pe care nu il simtim niciodata, in ciuda faptului ca suntem facuti din atomi. Forta puternica mentine integritatea nucleului, iar forta slaba este responsabila pentru descompunerea radioactiva, in special dezintegrarea beta, unde un neutron din nucleu se schimba intr-un proton si un electron si este apoi expulzat de catre nucleu. Fara aceste forte fundamentale, noi si toata materia din univers ne-am destrama si am pluti pur si simplu. In continuare vom arunca o privire asupra fiecarei forte din interiorul materiei si vom afla mai multe despre ce fac, cum au fost descoperite si cum se leaga unele de altele.
Gravitatia
Prima forta de care devenim constienti este gravitatia. Atunci cand suntem mici, trebuie sa invatam sa ne ridicam impotriva gravitatiei si sa incepem sa mergem. Cand ne impiedicam, imediat simteam cum gravitatia ne aducea inapoi jos pe podea. In afara de faptul ca le creeaza probleme copiilor mici, gravitatia mentine Luna, soarele, planetele, stelele si galaxiile impreuna in univers, in orbitele lor. Aceasta poate functiona de la distante imense si are o raza infinita. Isaac Newton si-a imaginat gravitatia ca fiind o atractie intre doua obiecte, atractie care era legata in mod direct de masele lor si invers proportionala cu patratul distantei care le despartea. Legea sa a gravitatiei a permis omenirii sa trimita astronauti pe Luna si sonde robotizate la marginea sistemului solar. Din anul 1687 pana la inceputul secolului 20, ideea gravitatiei a lui Newton a dominat fizica.
Insa un fenomen pe care teoriile lui Newton nu il putea explica era orbita ciudata a planetei Mercur. Orbita in sine parea sa se roteasca (cunoscuta si drept precesie). Aceasta observatie i-a frustrat pe astronomi inca de la mijlocul anilor 1800. In 1915, Einstein si-a dat seama ca legile miscarii ale lui Newton si legea gravitatiei nu se aplicau la obiectele cu gravitatie mare sau viteze mari, cum ar fi viteza luminii. In teoria generala a relativitatii, Einstein si-a imaginat gravitatia ca fiind o distorsiune a spatiului cauzata de masa.
Imagineaza-ti ca pui o bila de bowling in mijlocul unei prelate de cauciuc. Bila creeaza o depresiune in prelata. Daca rostogolesti o mingiuta catre bila, aceasta va cadea in depresiune (va fi atrasa catre bila) si s-ar putea chiar sa incercuiasca bila (orbiteze) inainte de a se opri. In functie de viteza mingiutei, aceasta ar putea scapa de depresiune si ar putea trece pe langa bila, insa depresiunea ar putea schimba calea mingiutei. Campurile gravitationale din jurul obiectelor masive, cum ar fi soarele, fac acelasi lucru.
Einstein a derivat legea gravitatiei a lui Newton din propria sa teorie a relativitatii si a aratat ca ideile lui Newton erau un caz special de relativitate (in mod specific, una aplicata gravitatiei slabe si vitezelor mici). Atunci cand analizam obiecte masive (Pamantul, stelele, galaxiile), gravitatia pare sa fie cea mai puternica forta. Cu toate acestea, atunci cand aplicam gravitatia la nivel atomic, aceasta are un efect foarte mic, deoarece particulele subatomice sunt extrem de mici. La acest nivel, gravitatia este de fapt retrogradata la cea mai slaba forta.
Forta electromagnetica
Daca treci peria prin par de mai multe ori, firele de par s-ar putea sa se electrizeze si sa fie atrase de perie. De ce se intampla acest lucru? Miscarea periei confera sarcini electrice fiecarui fir de par, iar firele de par cu sarcini identice se resping reciproc. In mod similar, daca asezi polii identici ai unor magneti unul langa altul, acestia se vor respinge, insa daca asezi polii opusi ai magnetilor unul langa altul, acestia vor fi atrasi unul de altul. Acestea sunt exemple cunoscute de forta electromagnetica – sarcinile opuse se atrag, in timp ce sarcinile identice se resping.
Oamenii de stiinta au studiat electromagnetismul inca din secolul al 18-lea, unii dintre ei facand mai multe contributii importante, printre care:
• In 1785, faimosul fizician francez Charles Coulomb a descris forta obiectelor incarcate electric ca fiind direct proportionala cu magnitudinile sarcinilor si invers proportionala cu patratul distantelor dintre ele. La fel ca si gravitatia, electromagnetismul are o raza infinita.
• In 1819, fizicianul danez Hans Christian Oersted a descoperit ca electricitatea si magnetismul erau legate intre ele, facandu-l sa declare ca un curent electric genereaza o forta magnetica.
• In 1839, fizicianul si chimistul Michael Faraday a aratat ca magnetismul putea fi utilizat pentru a genera electricitate.
• In anii 1860, James Clerk Maxwell a derivate ecuatii care descriau cum erau legate electricitatea si magnetismul.
• In cele din urma, in 1892, olandezul Hendrik Lorentz a calculat forta care actioneaza asupra unei particule incarcate intr-un camp electromagnetic.
La inceputul secolului 20, cand oamenii de stiinta au ajuns la un rezultat in ceea ce priveste structura atomului, acestia au aflat ca particulele subatomice exercitau forte electromagnetice unele asupra celorlalte. De exemplu, protonii incarcati pozitiv puteau detine electroni incarcati negativ pe orbita in jurul nucleului. In plus, electronii unui atom atrageau protonii atomilor invecinati pentru a forma o forta electromagnetica reziduala (aceeasi forta care nu te lasa sa cazi prin scaun).
Dar cum functioneaza electromagnetismul pe o raza infinita in lumea mare si pe o raza scurta la nivelul atomic? Fizicienii credeau ca fotonii transmit forta electromagnetica pe distante mari. Insa acestia au fost nevoiti sa elaboreze teorii pentru a reconcilia electromagnetismul la nivel atomic, iar acest lucru a dus la crearea domeniului electrodinamicii cuantice. Conform electrodinamicii cuantice, fotonii transmit forta electromagnetica atat la nivel macroscopic, cat si la nivel microscopic – cu toate acestea, particulele subatomice schimba fotoni virtuali in mod constant, in timpul interactiunilor lor electromagnetice. Totusi, electromagnetismul nu poate explica modul in care nucleul isi mentine integritatea. Aici este locul unde fortele nucleare intra in joc.
Fortele nucleare – forte care trec neobservate
Nucleul unui atom este format din protoni incarcati pozitiv si neutroni neutri. Electromagnetismul ne spune ca protonii ar trebui sa se respinga reciproc si ca nucleul ar trebui sa zboare afara. Mai stim si ca gravitatia nu joaca un rol pe scara subatomica, prin urmare, trebuie sa existe o alta forta in nucleu, o forta care este mai puternica decat gravitatia si electromagnetismul. In plus, deoarece nu percepem aceasta forta in fiecare zi, asa cum facem in cazul gravitatiei si electromagnetismului, atunci ea trebuie sa functioneze pe distante foarte scurte. Forta care mentine integritatea nucleului se numeste forta puternica, numita si forta nucleara puternica sau interactiune nucleara puternica. In 1935, Hideki Yukawa a modelat aceasta forta si a sustinut ca protonii care interactioneaza unii cu altii si cu neutrinii faceau schimb de o particula numita mezon (numita mai tarziu pion) pentru a transmite forta puternica.
In anii 1950, fizicienii au construit acceleratoare de particule pentru a explora structura nucleului. Cand au ciocnit atomii intre ei la viteze mari, acestia au gasit pionii prognozati de Yukawa. Acestia au aflat deasemenea ca protonii si neutronii erau compusi din particule mai mici numite cuarci. Prin urmare, forta puternica tinea cuarcii laolalta, care, la randul lor, mentineau integritatea nucleului. Un alt fenomen nuclear trebuia sa fie explicat, si anume dezintegrarea radioactiva. In emisia beta, un neutron se dezintegreaza intr-un proton, antineutrin si electron (particula beta).
Electronul si antineutrinul sunt expulzate din nucleu. Forta responsabila pentru aceasta dezintegrare si emisie trebuie sa fie diferita si mai slaba decat forta puternica, de unde si numele sau: forta nucleara slaba sau interactiune nucleara slaba. Odata cu descoperirea cuarcilor, forta slaba s-a dovedit a fi responsabila pentru schimbarea unui tip de cuarc in altul prin schimbul de particule numite bosoni W si Z, care au fost descoperite in 1983. In cele din urma, forta slaba face posibila fuziunea nucleara din soare si stele, deoarece ii permite izotopului de hidrogen, deuteriul, sa se formeze si sa fuzioneze.
Comparatie intre fortele fundamentale
Fizicienii au izolat particulele responsabile pentru majoritatea fortelor. Forta puternica foloseste pioni si o alta particula numita gluon. Forta slaba foloseste bosoni W si Z. Forta electromagnetica foloseste fotoni. Se crede ca gravitatia este transmisa de o particula numita graviton (gravitonii nu au fost gasiti inca). Unele dintre particulele asociate cu fortele nucleare au masa, in timp ce altele nu au (electromagnetismul, gravitatia). Deoarece forta electromagnetica si gravitatia pot functiona pe distante uriase, cum ar fi anii lumina, particulele responsabile pentru ele trebuie sa fie capabile sa calatoreasca la viteza luminii, poate chiar mai repede in cazul gravitonilor. Fizicienii nu stiu cum este transmisa gravitatia. Insa, conform teoriei lui Einstein a relativitatii speciale, niciun obiect cu masa nu poate calatori cu viteza luminii, prin urmare, are sens ca fotonii si gravitonii sa fie particule lipsite de masa. De fapt, fizicienii au stabilit ca fotonii nu au masa.
Care forta este cea mai puternica dintre toate? Aceasta ar fi forta nucleara puternica. Cu toate acestea, ea actioneaza numai pe o raza scurta, de aproximativ marimea unui nucleu. Forta nucleara slaba are o milionime din puterea fortei nucleare puternice si are o raza si mai scurta, mai mica decat diametrul unui proton. Forta electromagnetica are aproximativ 0.7% din puterea fortei nucleare puternice, insa are o raza infinita deoarece fotonii care transporta forta electromagnetica calatoresc cu viteza luminii. In cele din urma, gravitatia este cea mai slaba forta, avand 6 x 10 la puterea -29 din puterea fortei nucleare puternice. Cu toate acestea, gravitatia are o raza infinita.
Unificarea celor patru forte
In prezent, fizicienii urmaresc ideea ca cele patru forte fundamentale pot fi legate unele de altele si ca ele au izvorat dintr-o singura forta, la inceputul universului. Aceasta idee nu este fara precedent. Odinioara s-a crezut ca electricitatea si magnetismul erau doua entitati separate, dar munca unor oameni de stiinta ca Oersted, Faraday, Maxwell si altii a aratat ca acestea erau legate una de alta. Teoriile care leaga fortele fundamentale si particulele subatomice sunt numite teorii ale marii unificari. Stiinta nu se odihneste niciodata, prin urmare, munca privind fortele din interiorul materiei este departe de a fi incheiata. Urmatoarea provocare este construirea unei teorii care sa uneasca cele patru forte, o sarcina extrem de dificila, intrucat oamenii de stiinta s-au luptat pentru a reconcilia teoriile gravitatiei cu cele ale mecanicii cuantice.
Aici intervin acceleratoarele de particule care pot determina coliziuni la energii mai mari. In 1963, fizicienii Sheldon Glashow, Abdul Salam si Steve Weinberg au sugerat ca forta nucleara slaba si forta electromagnetica s-ar putea combina la energii mai ridicate, in ceea ce s-ar numi forta electroslaba. Ei au prezis ca acest lucru ar avea loc la o energie de aproximativ 100 GeV sau o temperatura de 1015 K, care a avut loc la scurt timp dupa Big Bang. In 1983, fizicienii au atins aceste temperaturi intr-un accelerator de particule si au aratat ca forta electromagnetica si forta nucleara slaba erau legate intre ele.
Teoriile prezic ca forta puternica se va uni cu forta electroslaba la energii de peste 1015 GeV si ca toate fortele se pot uni la energii de peste 1019 GeV. Aceste energii se apropie de temperatura care a existat la scurt timp dupa Big Bang. Fizicienii se straduiesc sa construiasca acceleratoare de particule care ar putea atinge aceste temperaturi. Cel mai mare accelerator de particule este Large Hadron Collider de la CERN, din Geneva, Elvetia. Daca fizicienii pot demonstra ca cele patru forte fundamentale au venit intr-adevar de la o singura forta, cand universul s-a racit, ar schimba asta viata oamenilor? Probabil ca nu. Insa, aceasta informatie ar avansa intelegerea noastra a naturii fortelor, precum si a originii si sortii universului.
