Từ việc đi bộ trên đường phố, phóng tên lửa vào không gian, đến việc gắn một cục nam châm trên tủ lạnh của bạn, các lực lượng vật lý đang hoạt động xung quanh chúng ta. Nhưng tất cả các lực lượng mà chúng ta trải nghiệm hàng ngày (và nhiều lực lượng mà chúng ta không nhận ra chúng ta trải nghiệm hàng ngày) có thể được giảm xuống chỉ còn bốn lực lượng cơ bản:
- Trọng lực.
- Lực yếu.
- Điện từ.
- Lực lượng mạnh.
Chúng được gọi là bốn lực cơ bản của tự nhiên, và chúng chi phối mọi thứ xảy ra trong vũ trụ.
Trọng lực
Trọng lực là lực hấp dẫn giữa hai vật thể có khối lượng hoặc năng lượng, cho dù điều này được nhìn thấy khi thả một hòn đá từ một cây cầu, một hành tinh quay quanh một ngôi sao hoặc mặt trăng gây ra thủy triều. Trọng lực có lẽ là trực quan và quen thuộc nhất trong các lực cơ bản, nhưng nó cũng là một trong những thách thức nhất để giải thích.
Isaac Newton là người đầu tiên đề xuất ý tưởng về trọng lực, được cho là lấy cảm hứng từ một quả táo rơi từ trên cây. Ông mô tả lực hấp dẫn như một lực hút theo nghĩa đen giữa hai vật thể. Hàng thế kỷ sau, Albert Einstein đã đề xuất, thông qua lý thuyết tương đối tổng quát của mình, lực hấp dẫn không phải là một lực hấp dẫn hay lực lượng. Thay vào đó, đó là hậu quả của các vật thể uốn cong không-thời gian. Một vật thể lớn hoạt động trên không gian giống như cách một quả bóng lớn đặt ở giữa tấm ảnh hưởng đến vật liệu đó, làm biến dạng nó và làm cho các vật thể khác, nhỏ hơn trên tấm rơi xuống giữa.
Mặc dù trọng lực giữ các hành tinh, sao, hệ mặt trời và thậm chí các thiên hà với nhau, nhưng hóa ra nó là yếu nhất trong các lực cơ bản, đặc biệt là ở quy mô phân tử và nguyên tử. Hãy nghĩ về nó theo cách này: Làm thế nào khó khăn để nâng một quả bóng lên khỏi mặt đất? Hay để nâng chân của bạn? Hay để nhảy? Tất cả những hành động đó đang chống lại lực hấp dẫn của toàn bộ Trái đất. Và ở cấp độ phân tử và nguyên tử, trọng lực gần như không có tác dụng so với các lực cơ bản khác.
Lực yếu
Lực yếu, còn được gọi là tương tác hạt nhân yếu, chịu trách nhiệm cho sự phân rã hạt. Đây là sự thay đổi theo nghĩa đen của một loại hạt hạ nguyên tử thành loại khác. Vì vậy, ví dụ, một neutrino đi sát với neutron có thể biến neutron thành proton trong khi neutrino trở thành electron.
Các nhà vật lý mô tả sự tương tác này thông qua việc trao đổi các hạt mang lực gọi là boson. Các loại boson cụ thể chịu trách nhiệm cho lực yếu, lực điện từ và lực mạnh. Trong lực yếu, các boson là các hạt tích điện gọi là boson W và Z. Khi các hạt hạ nguyên tử như proton, neutron và electron nằm trong phạm vi 10 ^ -18 mét, hoặc 0,1% đường kính của một proton, của nhau, chúng có thể trao đổi các boson này. Do đó, các hạt hạ nguyên tử phân rã thành các hạt mới, theo trang web HyperPhysics của Đại học bang Georgia.
Lực yếu rất quan trọng đối với các phản ứng tổng hợp hạt nhân cung cấp năng lượng cho mặt trời và tạo ra năng lượng cần thiết cho hầu hết các dạng sống ở đây trên Trái đất. Đó cũng là lý do tại sao các nhà khảo cổ học có thể sử dụng carbon-14 để xác định niên đại xương, gỗ và các cổ vật sống khác trước đây. Carbon-14 có sáu proton và tám neutron; một trong những neutron đó phân rã thành một proton để tạo ra nitơ-14, có bảy proton và bảy neutron. Sự phân rã này xảy ra với tốc độ có thể dự đoán được, cho phép các nhà khoa học xác định độ tuổi của những cổ vật này.
Lực điện từ
Lực điện từ, còn được gọi là lực Lorentz, hoạt động giữa các hạt tích điện, giống như các electron tích điện âm và các proton tích điện dương. Các khoản phí đối diện thu hút lẫn nhau, trong khi các khoản phí đẩy lùi. Điện tích càng lớn thì lực càng lớn. Và giống như trọng lực, lực này có thể được cảm nhận từ một khoảng cách vô tận (mặc dù lực sẽ rất, rất nhỏ ở khoảng cách đó).
Như tên gọi của nó, lực điện từ bao gồm hai phần: lực điện và lực từ. Lúc đầu, các nhà vật lý mô tả các lực này tách biệt với nhau, nhưng các nhà nghiên cứu sau đó nhận ra rằng hai lực này là thành phần của cùng một lực.
Thành phần điện hoạt động giữa các hạt tích điện cho dù chúng đang di chuyển hay đứng yên, tạo ra một trường mà các điện tích có thể ảnh hưởng lẫn nhau. Nhưng một khi được thiết lập thành chuyển động, những hạt tích điện đó bắt đầu hiển thị thành phần thứ hai, lực từ. Các hạt tạo ra một từ trường xung quanh chúng khi chúng di chuyển. Vì vậy, khi các electron phóng to qua dây để sạc máy tính hoặc điện thoại của bạn hoặc bật TV, chẳng hạn, dây sẽ trở thành từ tính.
Các lực điện từ được truyền giữa các hạt tích điện thông qua sự trao đổi các boson không mang khối lượng, gọi là photon, cũng là thành phần hạt của ánh sáng. Tuy nhiên, các photon mang lực trao đổi giữa các hạt tích điện là một biểu hiện khác nhau của các photon. Chúng là ảo và không thể phát hiện được, mặc dù về mặt kỹ thuật chúng là các hạt giống như phiên bản thật và có thể phát hiện được, theo Đại học Tennessee, Knoxville.
Lực điện từ chịu trách nhiệm cho một số hiện tượng thường gặp nhất: ma sát, độ đàn hồi, lực bình thường và lực giữ chất rắn với nhau trong một hình dạng nhất định. Nó thậm chí còn chịu trách nhiệm cho lực cản mà chim, máy bay và thậm chí cả Superman trải nghiệm khi bay. Những hành động này có thể xảy ra do các hạt tích điện (hoặc trung hòa) tương tác với nhau. Lực bình thường giữ một cuốn sách trên bàn (thay vì trọng lực kéo cuốn sách xuống đất), chẳng hạn, là hậu quả của các electron trong nguyên tử của bàn đẩy các electron trong nguyên tử của cuốn sách.
Lực lượng hạt nhân mạnh
Lực lượng hạt nhân mạnh, còn được gọi là tương tác hạt nhân mạnh, là mạnh nhất trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Đó là 6 nghìn tỷ nghìn tỷ nghìn tỷ đồng (tức là 39 số 0 sau 6!) Mạnh hơn lực hấp dẫn, theo trang web HyperPhysics. Và đó là vì nó liên kết các hạt cơ bản của vật chất lại với nhau để tạo thành các hạt lớn hơn. Nó giữ các quark tạo thành các proton và neutron, và một phần của lực mạnh cũng giữ các proton và neutron của hạt nhân nguyên tử lại với nhau.
Giống như lực yếu, lực mạnh chỉ hoạt động khi các hạt hạ nguyên tử cực kỳ gần nhau. Chúng phải ở đâu đó trong vòng 10 ^ -15 mét với nhau, hoặc gần bằng đường kính của một proton, theo trang web của HyperPhysics.
Tuy nhiên, lực mạnh là số lẻ, vì không giống như bất kỳ lực cơ bản nào khác, nó trở nên yếu hơn khi các hạt hạ nguyên tử di chuyển gần nhau hơn. Nó thực sự đạt đến sức mạnh tối đa khi các hạt ở xa nhau nhất, theo Fermilab. Khi ở trong phạm vi, các boson tích điện không khối lượng được gọi là gluon truyền lực mạnh giữa các quark và giữ chúng "dán" lại với nhau. Một phần rất nhỏ của lực mạnh gọi là lực mạnh còn lại tác dụng giữa các proton và neutron. Các proton trong hạt nhân đẩy nhau vì điện tích tương tự của chúng, nhưng lực mạnh còn lại có thể vượt qua lực đẩy này, vì vậy các hạt bị ràng buộc trong hạt nhân của nguyên tử.
Thống nhất thiên nhiên
Câu hỏi nổi bật của bốn lực lượng cơ bản là liệu chúng có thực sự là biểu hiện của một lực lượng lớn duy nhất trong vũ trụ hay không. Nếu vậy, mỗi người trong số họ sẽ có thể hợp nhất với những người khác, và đã có bằng chứng cho thấy họ có thể.
Các nhà vật lý Sheldon Glashow và Steven Weinberg từ Đại học Harvard với Abdus Salam từ Đại học Hoàng gia Luân Đôn đã giành giải thưởng Nobel Vật lý năm 1979 vì đã hợp nhất lực điện từ với lực yếu để hình thành khái niệm về lực điện. Các nhà vật lý làm việc để tìm ra cái gọi là lý thuyết thống nhất lớn nhằm mục đích hợp nhất lực điện yếu với lực mạnh để xác định lực điện tử, mô hình đã dự đoán nhưng các nhà nghiên cứu chưa quan sát được. Mảnh ghép cuối cùng sau đó sẽ yêu cầu lực hấp dẫn thống nhất với lực điện tử để phát triển cái gọi là lý thuyết về mọi thứ, một khung lý thuyết có thể giải thích toàn bộ vũ trụ.
Tuy nhiên, các nhà vật lý đã thấy khá khó khăn để hợp nhất thế giới vi mô với thế giới vĩ mô. Ở quy mô lớn và đặc biệt là thiên văn, lực hấp dẫn chiếm ưu thế và được mô tả tốt nhất theo thuyết tương đối rộng của Einstein. Nhưng ở quy mô phân tử, nguyên tử hoặc hạ nguyên tử, cơ học lượng tử mô tả tốt nhất thế giới tự nhiên. Và cho đến nay, không ai nghĩ ra một cách tốt để hợp nhất hai thế giới đó.
Các nhà vật lý nghiên cứu lực hấp dẫn lượng tử nhằm mục đích mô tả lực theo thuật ngữ của thế giới lượng tử, có thể giúp cho sự hợp nhất. Cơ bản cho cách tiếp cận đó sẽ là việc phát hiện ra graviton, boson mang lực lý thuyết của lực hấp dẫn. Trọng lực là lực cơ bản duy nhất mà các nhà vật lý hiện có thể mô tả mà không cần sử dụng các hạt mang lực. Nhưng vì các mô tả về tất cả các lực cơ bản khác đòi hỏi các hạt mang lực, các nhà khoa học hy vọng graviton phải tồn tại ở cấp độ hạ nguyên tử - các nhà nghiên cứu chưa tìm thấy các hạt này.
Làm phức tạp thêm câu chuyện là cõi vô hình của vật chất tối và năng lượng tối, chiếm khoảng 95% vũ trụ. Không rõ liệu vật chất tối và năng lượng bao gồm một hạt hay toàn bộ các hạt có lực riêng và boson truyền tin.
Hạt thông tin chính được quan tâm hiện nay là photon tối theo lý thuyết, sẽ làm trung gian cho các tương tác giữa vũ trụ hữu hình và vô hình. Nếu các photon tối tồn tại, chúng sẽ là chìa khóa để phát hiện thế giới vô hình của vật chất tối và có thể dẫn đến việc phát hiện ra một lực cơ bản thứ năm. Tuy nhiên, cho đến nay, không có bằng chứng nào cho thấy các photon tối tồn tại và một số nghiên cứu đã đưa ra bằng chứng mạnh mẽ cho thấy các hạt này không tồn tại.
