نیروهای بنیادی جهان چیستند؟

نیروهای بنیادی جهان چیستند؟ در این مقاله قصد داریم این چهار نیرو را بشناسیم و بفهمیم چگونه جهان ما را نگاه می‌دارند.

نیروهای بنیادی جهان چیستند؟

جهان توسط چهار نیروی بنیادی اداره می‌شود که مسئول تمام فعل و انفعالات بین ذرات و اجسام در کیهان هستند. این نیروها گرانش، الکترومغناطیس، نیروی هسته‌ای قوی و نیروی هسته‌ای ضعیف هستند.

هر یک از این نیروها نقش مهمی در شکل دادن به جهان، آنگونه که ما می‌شناسیم، ایفا می‌کنند.

نیروی گرانش

اولین نیرو از نیروهای بنیادی جهان که باید بشناسیم، گرانش است. گرانش نیرویی است که بر حرکت اجرام آسمانی مانند سیارات، ستارگان و کهکشان‌ها حاکم است. این نیرو، اجسام را به هم نزدیک می‌کند. نیروی گرانش به دو عامل بستگی دارد، جرم اجسام درگیر و فاصله آنها از یکدیگر. گرانش مسئول نگه داشتن سیارات در مدار ستاره ها و نگه داشتن کهکشان ها در کنار هم است.

اسحاق نیوتن اولین کسی بود که ایده گرانش را مطرح کرد. او ظاهراً این ایده از سقوط سیب از درخت الهام گرفته بود. نیوتن گرانش را به عنوان یک جاذبه واقعی بین دو جسم توصیف کرد.

قرن‌ها بعد، آلبرت اینشتین با ارائه نظریه نسبیت عام خود پیشنهاد کرد که گرانش یک جاذبه یا یک نیرو نیست. در عوض، نیروی گرانش، پیامد تاب برداشتن اجسام فضا-زمان است. یک جسم بزرگ در فضا-زمان، درست به مانند یک توپ بزرگ که در وسط یک صفحه قرار می‌گیرد، عمل می‌کند. فضازمان، بر اجرام تأثیر می‌گذارد، آن‌ها را منحرف می‌کند، و باعث می‌شود که اجسام کوچک‌تر دیگر روی صفحه به سمت وسط بیفتند.

نیروی الکترومغناطیس

دومین نیرو از نیروهای بنیادی جهان را می‌توان الکترومغناطیس دانست.

الکترومغناطیس نیرویی است که بر تمام فعل و انفعالات الکتریکی و مغناطیسی بین ذرات باردار حاکم است. مسئول نگه‌داشتن اتم‌ها در کنار هم و ایجاد پیوندهای شیمیایی بین مولکول‌ها است. امواج الکترومغناطیسی مانند نور، امواج رادیویی و اشعه ایکس نیز از مظاهر این نیرو در کیهان ما هستند.

همان‌طور که از نام آن پیداست، نیروی الکترومغناطیسی از دو بخش تشکیل شده است: نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی. در ابتدا، فیزیکدانان این نیروها را متمایز از یکدیگر توصیف کردند، اما محققان بعدی متوجه شدند که هر دو اجزای یک نیروی واحد هستند.

بخش الکتریکی این نیرو، بین ذرات باردار، خواه متحرک یا ساکن عمل می‌کند و میدانی ایجاد می‌کند که از طریق آن بارها می‌توانند بر یکدیگر تأثیر بگذارند. اما هنگامی که این ذرات باردار به حرکت در می‌آیند، شروع به نمایش بخش دوم، یعنی نیروی مغناطیسی می‌کنند. این ذرات باردار در حین حرکت یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می‌کنند. بنابراین هنگامی که الکترون‌ها از طریق سیم جریان می‌یابند تا کامپیوتر یا تلفن شما را شارژ کنند یا تلویزیون شما را روشن کنند، به عنوان مثال، سیم مغناطیسی می‌شود.

نیروی هسته‌ای قوی

نیروی هسته‌ای قوی یا به اختصار نیروی قوی، از دیگر نیروهای بنیادی جهان است. این نیرو مسئول نگه داشتن هسته‌های اتم در کنار هم است. این نیرو، بر نیروهای دافعه بین پروتون‌های دارای بار مثبت در یک هسته غلبه می‌کند. بدون این نیرو، هسته‌های اتم از هم می‌شکنند و عناصری که ما می‌شناسیم وجود نداشتند.

نیروی قوی تنها زمانی عمل می‌کند که ذرات زیر اتمی بسیار نزدیک به یکدیگر باشند. فاصله آن‌ها باید در حدود ۱۰ به توان ۱۵- متر از یکدیگر یا تقریباً در حد قطر یک پروتون باشند.

با این حال، نیروی قوی، نیرویی عجیب است، زیرا بر خلاف سایر نیروهای اساسی، با نزدیک شدن ذرات زیراتمی به یکدیگر ضعیف می‌شود. به گفته Fermilab، در واقع زمانی به حداکثر قدرت خود می‌رسد که ذرات از هم دورتر باشند. بوزون‌های بدون جرم باردار که گلوئون نامیده می‌شوند، پس از رسیدن به محدوده، نیروی قوی بین کوارک‌ها را منتقل می‌کنند و آن‌ها را به‌هم‌چسبیده نگه می‌دارند. بخش کوچکی از نیروی قوی به نام نیروی قوی باقیمانده بین پروتون‌ها و نوترون‌ها اعمال می‌شود. پروتون‌های هسته به دلیل بار مشابه یکدیگر را دفع می‌کنند، اما نیروی قوی باقیمانده می‌تواند بر این دافعه غلبه کند، به طوری که ذرات در هسته یک اتم به هم بند می‌مانند.

نیروی هسته‌ای ضعیف

آخرین نیرو از نیروهای بنیادی جهان که می‌خواهیم بررسی کنیم، نیروی هسته‌ای ضعیف است.

نیروی هسته‌ای ضعیف یا نیروی ضعیف، مسئول انواع خاصی از واپاشی رادیواکتیو است که در آن ذراتی به نام نوترینو از هسته اتم ساطع می‌شوند. این نیرو بسیار ضعیف‌تر از سه نیروی بنیادی دیگر است، اما نقش مهمی در تعیین چگونگی تولید انرژی ستاره‌ها از طریق همجوشی هسته‌ای دارد.

نیروهای بنیادی جهان و فیزیک ذرات

فیزیکدانان برهمکنش‌های این نیروهای بنیادی را به عنوان تبادل ذرات حامل نیرو به نام بوزون توصیف می‌کنند. انواع خاصی از بوزون‌ها مسئول نیروی ضعیف، نیروی الکترومغناطیسی و نیروی قوی هستند. هم‌چنین مطابق با نظریه گرانش کوانتومی، نوع خاصی از بوزون به نام گراویتون، مسئول نیروی گرانش شناخته می‌شود.

بوزون‌های با نیروی ضعیف ذرات باردار به نام بوزون‌های W و Z هستند. وقتی ذرات زیراتمی مانند پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها در فاصله ۱۰ به توان ۱۸- متری یا 0.1 درصد از یک پروتون از یکدیگر قرار گیرند، می‌توانند این بوزون‌ها را مبادله کنند.

در نتیجه، ذرات زیراتمی به ذرات جدید تجزیه می‌شوند.

نیروی ضعیف برای واکنش‌های هم‌جوشی هسته‌ای که انرژی خورشید را تامین می‌کند ضروری است. و به تبع انرژی مورد نیاز اکثر اشکال حیات در روی زمین را تولید می‌کند. هم‌چنین به همین دلیل است که باستان‌شناسان می‌توانند از کربن 14 برای تاریخ‌گذاری استخوان‌های باستانی، چوب و دیگر مصنوعات قدیمی استفاده کنند. کربن 14 دارای شش پروتون و هشت نوترون است. یکی از این نوترون‌ها به پروتون تجزیه می‌شود و نیتروژن 14 را تشکیل می‌دهد که دارای هفت پروتون و هفت نوترون است. این پوسیدگی با سرعت قابل پیش‌بینی رخ می‌دهد و به دانشمندان اجازه می‌دهد تا سن این آثار را تعیین کنند.

جمع‌بندی

در نتیجه، این چهار نیروی اساسی هر جنبه از جهان ما، از کوچک‌ترین ذرات زیر اتمی تا بزرگ‌ترین ساختارهای آن مانند کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را شکل می‌دهند. درک این نیروها یکی از بزرگ‌ترین دستاوردهای فیزیک مدرن بوده است و به ما این امکان را داده است که برخی از اسرار جهان خود را فاش کنیم.

در این مقاله، درباره نیروهای بنیادی جهان بحث کردیم و مظاهر و آثار مهم آن‌ها در گیتی را معرفی نمودیم. سپاس که با ما همراه بودید.

منابع

۱‌. space.com – به انگلیسی