Fundamentalne sile
Fundamentalne sile ili interakcije su, u fizici, interakcije za koje se ne smatra da se mogu svesti na osnovnije interakcije. Postoje četiri fundamentalne sile:[1] gravitaciona i elektromagnetna sila, koje proizvode značajne sile dugog dometa čiji se efekti mogu videti direktno u svakodnevnom životu, i jaka i slaba sila, koje proizvode sile na malim, subatomskim rastojanjima i upravljaju nuklearnim interakcijama. Neki naučnici pretpostavljaju da bi mogla postojati peta sila, ali ove hipoteze ostaju spekulativne.[2][3][4]
Svaka od poznatih fundamentalnih sila može se matematički opisati kao polje. Gravitaciona sila se pripisuje zakrivljenosti prostor-vremena, koju opisuje Ajnštajnova opšta teorija relativnosti. Ostala tri su diskretna kvantna polja, a njihove interakcije su posredovane elementarnim česticama opisanim Standardnim modelom fizike čestica.[5]
Unutar Standardnog modela, jaku silu nosi čestica koja se zove gluon, i odgovorna je za vezivanje kvarkova kako bi formirali hadrone, kao što su protoni i neutroni. Kao rezidualni efekat, stvara nuklearnu silu koja vezuje potonje čestice da bi formirala atomska jezgra. Slabu silu nose čestice zvane W i Z bozoni, a takođe deluje na jezgro atoma, posredujući radioaktivni raspad. Elektromagnetna sila, koju nosi foton, stvara električna i magnetna polja, koja su odgovorna za privlačenje između orbitalnih elektrona i atomskih jezgara koja drže atome zajedno, kao i za hemijsko vezivanje i elektromagnetne talase, uključujući vidljivu svetlost, i čine osnovu za električnu tehnologiju. Iako je elektromagnetna sila daleko jača od gravitacije, ona ima tendenciju da se poništi unutar velikih objekata, tako da na velikim (astronomskim) udaljenostima gravitacija teži da bude dominantna sila i odgovorna je za držanje na okupu velikih struktura u svemiru, kao što su kao planete, zvezde i galaksije.
Mnogi teorijski fizičari veruju da su ove fundamentalne sile povezane i da se objedinjuju u jednu silu pri veoma visokim energijama na minuskulnoj skali, Plankovoj skali, ali akceleratori čestica ne mogu da proizvedu ogromne energije potrebne da se ovo eksperimentalno ispita.[6] Osmišljavanje zajedničkog teorijskog okvira koji bi objasnio odnos između sila u jednoj teoriji je možda najveći cilj današnjih teoretskih fizičara. Slabe i elektromagnetne sile su već objedinjene sa teorijom elektroslabe Šeldona Glejšoa, Abdusa Salama i Stivena Vajnberga za koju su 1979. dobili Nobelovu nagradu za fiziku.[7][8][9] Neki fizičari nastoje da ujedine elektroslaba i jaka polja unutar onoga što se zove Velika ujedinjena teorija. Još veći izazov je pronaći način da se kvantizuje gravitaciono polje, što bi rezultiralo teorijom kvantne gravitacije (QG) koja bi ujedinila gravitaciju u zajednički teorijski okvir sa ostale tri sile. Neke teorije, posebno teorija struna, nastoje da stave QG i veliku ujedinjenu teoriju unutar jednog okvira, objedinjujući sve četiri fundamentalne sile zajedno sa stvaranjem mase unutar teorije svega (engl. Theory of everything, ToE).
Istorija[uredi | uredi izvor]
Klasična teorija[uredi | uredi izvor]
U svojoj teoriji iz 1687. Isak Njutn je postulirao prostor kao beskonačnu i nepromenljivu fizičku strukturu koja postoji ispred, unutar i oko svih objekata dok se njihova stanja i odnosi odvijaju konstantnim tempom svuda, dakle apsolutni prostor i vreme. Zaključujući da se svi objekti koji nose masu približavaju konstantnom brzinom, ali se sudaraju pri udaru proporcionalno njihovoj masi, Njutn je zaključio da materija pokazuje privlačnu silu. Njegov zakon univerzalne gravitacije podrazumevao je da postoji trenutna interakcija između svih objekata.[10][11] Kao što se konvencionalno tumači, Njutnova teorija kretanja je modelovala centralnu silu bez komunikacionog medija.[[12][13] Tako je Njutnova teorija prekršila tradiciju, vraćajući se još od Dekarta, da ne bi trebalo da postoji akcija na daljinu.[14] Nasuprot tome, tokom 1820-ih, objašnjavajući magnetizam, Majkl Faradej je zaključio da polje ispunjava prostor i prenosi tu silu. Faradej je pretpostavio da su ultimatno sve sile ujedinjene u jednu.[15]
Godine 1873, Džejms Klerk Maksvel je objedinio elektricitet i magnetizam kao efekte elektromagnetnog polja čija je treća posledica bila svetlost, koja putuje konstantnom brzinom u vakuumu. Ako bi njegova teorija elektromagnetnog polja bila istinita u svim inercijskim okvirima, to bi bilo u suprotnosti sa Njutnovom teorijom kretanja, koja se oslanjala na Galileovu relativnost.[16] Ako bi se, umesto toga, njegova teorija polja primenila samo na referentne okvire u mirovanju u odnosu na mehanički svetleći etar – za koji se pretpostavlja da ispunjava sav prostor bilo unutar materije ili u vakuumu i da manifestuje elektromagnetno polje – onda bi se mogla pomiriti sa Galileovom relativnošću i Njutnovim zakonima. (Međutim, takav „Maksvelov etar“ je kasnije opovrgnut; Njutnovi zakoni su, zapravo, morali da budu zamenjeni.)[17]
Standardni model[uredi | uredi izvor]
Standardni model fizike čestica je razvijen u drugoj polovini 20. veka. U Standardnom modelu, elektromagnetne, jake i slabe sile povezuju se sa elementarnim česticama, čije ponašanje je modelovano u kvantnoj mehanici (QM). Za prediktivni uspeh sa kvantno mehaničkim probabilističkim ishodima, fizika čestica konvencionalno modeluje kvantno mehaničke događaje u polju postavljenom na specijalnu relativnost, u celini sa relativističkom kvantnom teorijom polja (QFT).[18] Čestice sile, koje se nazivaju baždareni bozoni — nosioci sile ili glasničke čestice osnovnih polja — stupaju u interakciju sa česticama materije, zvanim fermioni. Svakodnevna materija su atomi, sastavljeni od tri tipa fermiona: gornjih i donjih kvarkova, kao i elektrona koji kruže oko atomskog jezgra. Atomi stupaju u interakcije, formiraju molekule i manifestuju dalja svojstva kroz elektromagnetne interakcije između njihovih elektrona koji apsorbuju i emituju fotone, nosioca sile elektromagnetnog polja, koji ako su neometani prelaze potencijalno beskonačnu udaljenost. QFT elektromagnetizma je kvantna elektrodinamika (QED).
Nosioci slabe sile su masivni W i Z bozoni. Elektroslaba teorija (EWT) pokriva i elektromagnetizam i slabu silu. Na visokim temperaturama ubrzo nakon Velikog praska, slaba sila, elektromagnetna sila i Higsov bozon su prvobitno bili mešane komponente drugačijeg skupa drevnih polja pre-simetrije. Kako se rani univerzum hladio, ova polja su se podelila na elektromagnetnu silu dugog dometa, slabu silu kratkog dometa i Higsov bozon. U Higsovom mehanizmu, Higsovo polje ispoljava Higsove bozone koji stupaju u interakciju sa nekim kvantnim česticama na način koji tim česticama daje masu. Jaka sila, čiji je nosilac sile gluon, prelazeći minuskularnu udaljenost između kvarkova, modelovana je u kvantnoj hromodinamici (QCD). EWT, QCD i Higsov mehanizam čine standardni model (SM) fizike čestica. Predviđanja se obično vrše korišćenjem metoda proračunske aproksimacije, iako je takva teorija perturbacija neadekvatna za modelovanje nekih eksperimentalnih posmatranja (na primer vezanih stanja i solitona). Ipak, fizičari široko prihvataju standardni model kao eksperimentalno najviše potvrđenu teoriju nauke.
Izvan standardnog modela, neki teoretičari rade na ujedinjenju elektroslabih i jakih sila unutar Velike ujedinjene teorije.[19] (GUT).
Pregled[uredi | uredi izvor]
U prirodi postoje četiri osnovne ili fundamentalne sile (ili interakcije) kojima elementarne čestice deluju međusobno. Pomoću njih se opisuje razmena energije među česticama i samim tim su odgovorne za ovakvu strukturu univerzuma. Četiri sile su: gravitaciona, jaka, slaba i elektromagnetna sila. One deluju preko prenosioca (medijatora) sile, tj. čestica (kvantih polja) koje prenose samu silu. U savremenoj fizici se trenutno traga za modelom jednog najfundamentalnijeg delovanja koje bi objedinilo sve ove četiri sile (pretpostavlja se da su ove sile objedinjeno delovale neposredno posle Velikog praska). Za sada postoji teorija koja je objedinila slabu i elektromagnetnu silu zove se elektroslaba sila.
| Interakcija | Teorija koja je opisuje | Prenosioci | Relativna snaga | Zavisnost od udaljenosti | Domet (m) |
|---|---|---|---|---|---|
| Jaka | Kvantna hromodinamika (QCD) |
gluoni | 1038 | 10-15 | |
| Elektromagnetna | Kvantna elektrodinamika (QED) |
fotoni | 1036 | ∞ (beskonačno) | |
| Slaba | Elektroslaba teorija | W i Z bozoni | 1025 | 10-18 | |
| Gravitaciona | Opšta teorija relativnosti (GTR) |
gravitoni (nisu još pronađeni) |
1 | ∞ (beskonačno) |
Reference[uredi | uredi izvor]
- ^ Braibant, Sylvie; Giacomelli, Giorgio; Spurio, Maurizio (2011). Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics (illustrated izd.). Springer Science & Business Media. str. 109. ISBN 9789400724631. Extract of page 109
- ^ Fackler, Orrin; Tran, J. Thanh Van (1988). 5th Force Neutrino Physics. Atlantica Séguier Frontières. ISBN 978-2863320549.
- ^ Weisstein, Eric W. (2007). „Fifth Force”. World of Science. Wolfram Research. Pristupljeno 14. 9. 2017.
- ^ Franklin, Allan; Fischbach, Ephraim (2016). The Rise and Fall of the Fifth Force: Discovery, Pursuit, and Justification in Modern Physics, 2nd Ed. Springer. ISBN 978-3319284125.
- ^ „The Standard Model of Particle Physics | symmetry magazine”. www.symmetrymagazine.org. Pristupljeno 2018-10-30.
- ^ Shivni, Rashmi (2016-05-16). „The Planck scale”. symmetry magazine (na jeziku: engleski). Fermilab/SLAC. Pristupljeno 2018-10-30.
- ^ „The Nobel Prize in Physics 1979”. NobelPrize.org (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2018-10-30.
- ^ „The Nobel Prize in Physics 1979”. NobelPrize.org (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2018-10-30.
- ^ „The Nobel Prize in Physics 1979”. NobelPrize.org (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2018-10-30.
- ^ „Newton's Laws of Motion”. www.grc.nasa.gov. NASA.
- ^ „Newton's law of gravitation | Definition, Formula, & Facts”. Encyclopedia Britannica (na jeziku: engleski). Pristupljeno 22. 3. 2021.
- ^ Nauenberg, Michael (oktobar 2018). „Newton's graphical method for central force orbits”. American Journal of Physics. 86 (10): 765—771. Bibcode:2018AmJPh..86..765N. doi:10.1119/1.5050620.
- ^ Newton's absolute space was a medium, but not one transmitting gravitation.
- ^ Henry, John (mart 2011). „Gravity and De gravitatione: the development of Newton's ideas on action at a distance” (PDF). Studies in History and Philosophy of Science Part A. 42 (1): 11—27. doi:10.1016/j.shpsa.2010.11.025. hdl:20.500.11820/b84d5f3c-47b3-453a-849f-eb9add123210
.
- ^ Faraday, Michael (2012). „Experimental Researches in Electricity”. doi:10.1017/cbo9781139383165.018.
- ^ Goldin, Gerald A.; Shtelen, Vladimir M. (februar 2001). „On Galilean invariance and nonlinearity in electrodynamics and quantum mechanics”. Physics Letters A. 279 (5–6): 321—326. Bibcode:2001PhLA..279..321G. S2CID 5398578. arXiv:quant-ph/0006067 . doi:10.1016/S0375-9601(01)00017-2. „no fully Galilean-covariant theory of a coupled Schrödinger-Maxwell system (where the density and current of the Schrödinger field act as source of the nonrelativistic Maxwell field) is possible”
- ^ Farhoudi, Mehrdad; Yousefian, Maysam (maj 2016). „Ether and Relativity”. International Journal of Theoretical Physics. 55 (5): 2436—2454. Bibcode:2016IJTP...55.2436F. S2CID 119258859. arXiv:1511.07795 . doi:10.1007/s10773-015-2881-y.
- ^ Meinard Kuhlmann, "Physicists debate whether the world is made of particles or fields—or something else entirely", Scientific American, 24 Jul 2013.
- ^ Krauss, Lawrence M. (2017-03-16). „A Brief History of the Grand Unified Theory of Physics”. Nautilus. Arhivirano iz originala 23. 11. 2021. g. Pristupljeno 23. 11. 2021.
Literatura[uredi | uredi izvor]
- Davies, Paul (1986), The Forces of Nature, Cambridge Univ. Press 2nd ed.
- Feynman, Richard (1967), The Character of Physical Law, MIT Press, ISBN 978-0-262-56003-0
- Schumm, Bruce A. (2004), Deep Down Things, Johns Hopkins University Press While all interactions are discussed, discussion is especially thorough on the weak.
- Weinberg, Steven (1993), The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe, Basic Books, ISBN 978-0-465-02437-7
- Weinberg, Steven (1994), Dreams of a Final Theory, Basic Books, ISBN 978-0-679-74408-5
- Padmanabhan, T. (1998), After The First Three Minutes: The Story of Our Universe, Cambridge Univ. Press, ISBN 978-0-521-62972-0
- Perkins, Donald H. (2000), Introduction to High Energy Physics (4th izd.), Cambridge Univ. Press, ISBN 978-0-521-62196-0
- Riazuddin (29. 12. 2009). „Non-standard interactions” (PDF). NCP 5th Particle Physics Sypnoisis. 1 (1): 1—25. Arhivirano iz originala (PDF) 03. 03. 2016. g. Pristupljeno 19. 3. 2011.
