De 4 fundamentele krachten van de natuurkunde

Deze Hubble Space Telescope-weergave onthult duizenden sterrenstelsels die zich over miljarden lichtjaren in de ruimte terug in de tijd uitstrekken. De afbeelding beslaat een deel van een grote volkstelling van sterrenstelsels, de Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS). NASA, ESA, het GOODS-team en M. Giavialisco (Universiteit van Massachusetts, Amherst)

De fundamentele krachten (of fundamentele interacties) van natuurkunde zijn de manieren waarop individuele deeltjes met elkaar interageren. Het blijkt dat elke afzonderlijke interactie die in het universum wordt waargenomen, kan worden afgebroken en beschreven door slechts vier (nou ja, over het algemeen vier - daarover later meer) soorten interacties:

• Zwaartekracht
• elektromagnetisme
• Zwakke interactie (of zwakke kernkracht)
• Sterke interactie (of sterke kernkracht)

Zwaartekracht

Van de fundamentele krachten heeft de zwaartekracht het verste bereik, maar het is het zwakst in werkelijke grootte.

Het is een puur aantrekkende kracht die zelfs door de 'lege' leegte heen reikt om te tekenen twee massa's naar elkaar toe. Het houdt de planeten in een baan rond de zon en de maan in een baan rond de aarde.

Zwaartekracht wordt beschreven onder de algemene relativiteitstheorie , die het definieert als de kromming van ruimtetijd rond een object van massa. Deze kromming creëert op zijn beurt een situatie waarin het pad van de minste energie naar het andere object van massa is.

elektromagnetisme

Elektromagnetisme is de interactie van deeltjes met een elektrische lading. Geladen deeltjes in rust interageren viaelektrostatische krachten:terwijl ze in beweging zijn, interageren ze door zowel elektrische als magnetische krachten.

Lange tijd werden de elektrische en magnetische krachten als verschillende krachten beschouwd, maar uiteindelijk werden ze verenigd door James Clerk Maxwell in 1864, onder de vergelijkingen van Maxwell. In de jaren veertig consolideerde de kwantumelektrodynamica het elektromagnetisme met de kwantumfysica.

Elektromagnetisme is misschien wel de meest voorkomende kracht in onze wereld, omdat het dingen op een redelijke afstand en met een behoorlijke hoeveelheid kracht kan beïnvloeden.

Zwakke interactie

De zwakke interactie is een zeer krachtige kracht die inwerkt op de schaal van de atoomkern. Het veroorzaakt verschijnselen zoals bètaverval. Het is geconsolideerd met elektromagnetisme als een enkele interactie die de 'elektrozwakke interactie' wordt genoemd. De zwakke interactie wordt gemedieerd door het W-boson (er zijn twee typen, de W⁺en W^-bosonen) en ook het Z-boson.

Sterke interactie

De sterkste van de krachten is de toepasselijk genaamde sterke interactie, dat is de kracht die onder andere nucleonen (protonen en neutronen) bij elkaar houdt. In de helium atoom het is bijvoorbeeld sterk genoeg om er twee te binden protonen samen, hoewel hun positieve elektrische ladingen ervoor zorgen dat ze elkaar afstoten.

In wezen zorgt de sterke interactie ervoor dat deeltjes die gluonen worden genoemd, quarks aan elkaar binden om de nucleonen in de eerste plaats te creëren. Gluonen kunnen ook interageren met andere gluonen, wat de sterke interactie een theoretisch oneindige afstand geeft, hoewel de belangrijkste manifestaties zich allemaal op subatomair niveau bevinden.

De fundamentele krachten verenigen

Veel natuurkundigen geloven dat alle vier de fundamentele krachten in feite de manifestaties zijn van een enkele onderliggende (of verenigde) kracht die nog moet worden ontdekt. Net zoals elektriciteit, magnetisme en de zwakke kracht verenigd waren in de elektrozwakke interactie, werken ze om alle fundamentele krachten te verenigen.

De stroom kwantummechanische interpretatie van deze krachten is dat de deeltjes niet direct interageren, maar eerder virtuele deeltjes manifesteren die de daadwerkelijke interacties bemiddelen. Alle krachten behalve de zwaartekracht zijn geconsolideerd in dit 'standaardmodel' van interactie.

De poging om de zwaartekracht te verenigen met de andere drie fundamentele krachten heet kwantumzwaartekracht . Het postuleert de bestaan ​​van een virtueel deeltje genaamd het graviton, dat het bemiddelende element zou zijn in zwaartekrachtinteracties. Tot op heden zijn gravitonen niet gedetecteerd en zijn er geen theorieën over kwantumzwaartekracht succesvol of universeel aangenomen.