Koje Su Četiri Temeljne Sile Prirode?

{h1}

Četiri temeljne sile prirode stoje iza svega što radimo, od pada do sunca u orbiti. Doznajte o četiri temeljne sile prirode.

- Dok sjedite pred računalom i čitate ovaj članak, možda niste svjesni mnogih sila koje djeluju na vas. sila definira se kao guranje ili povlačenje koje mijenja stanje gibanja objekta ili uzrokuje deformiranje objekta. Newton je definirao silu kao bilo što što je uzrokovalo ubrzanje objekta - F = ma, kamo F je sila, m je masa i je ubrzanje.

Poznata sila od gravitacija povlači vas u svoje sjedalo prema Zemljinu središtu. Osjećate to kao svoju težinu. Zašto ne padneš kroz svoje sjedalo? Pa, još jedna sila, elektromagnetizam, drži atome vašeg sjedala zajedno, sprečavajući vaše atome da upadaju - na one vašeg sjedala. Elektromagnetske interakcije u vašem monitoru računala također su odgovorne za generiranje svjetla koje vam omogućuje čitanje ekrana.

-Gravitacija i elektromagnetizam samo su dvije od četiri temeljne sile prirode, posebno dvije koje možete promatrati svaki dan. Koja su druga dva i kako oni utječu na vas ako ih ne možete vidjeti?

Preostale dvije sile djeluju na atomskoj razini, koje nikad ne osjećamo, unatoč tome što su izrađene od atoma. jaka sila drži jezgro zajedno. Napokon slaba sila odgovoran je za radioaktivno propadanje, točnije za beta raspad gdje se neutron unutar jezgre pretvara u proton i elektron koji se izbacuje iz jezgre.

Bez ovih temeljnih sila, vi i sva druga materija u svemiru raspadali biste se i odletjeli. Pogledajmo svaku temeljnu silu, što svaka čini, kako je otkrivena i kako se odnosi na ostale.

Gravitacija vas spušta?

Ovaj će mali momak uskoro otkriti o čemu se radi gravitacijom.

Ovaj će mali momak uskoro otkriti o čemu se radi gravitacijom.

- Prva sila koju ste ikad postali svjesni vjerojatno je gravitacija. Kao dijete, morao si naučiti ustati protiv toga i hodati. Kad ste se spotaknuli, odmah ste osjetili da vas gravitacija vraća na pod. Osim što stvara malu nevolju, gravitacija drži Mjesec, planete, sunce, zvijezde i galaksije zajedno u svemiru u svojim orbitama. Može raditi na ogromnim udaljenostima i ima beskonačan domet.

Isaac Newton zamislio je gravitaciju kao povlačenje bilo koja dva objekta koja je bila izravno povezana s njihovim masama i obrnuto povezana s kvadratom udaljenosti koja ih razdvaja. Njegov zakon gravitacije omogućio je čovječanstvu slanje astronauta na Mjesec i robotskim sondama u vanjske dosege našeg Sunčevog sustava. Od 1687. do početka 20. stoljeća, Newtonova ideja o gravitaciji kao "tegljaču" između bilo koja dva objekta dominirala je fizikom.

Ali jedan fenomen koji Newtonove teorije nisu mogle objasniti bila je osebujna orbita Merkura. Činilo se da se i sama orbita rotira (također poznata i kao precesija). Ovo je promatranje frustriralo astronoma od sredine 1800-ih. Godine 1915. Albert Einstein shvatio je da se Newtonovi zakoni kretanja i gravitacije ne primjenjuju na objekte velike gravitacije ili velike brzine, poput brzine svjetlosti.

U svojoj općoj teoriji relativnosti Albert Einstein zamislio je gravitaciju kao izobličenje prostora uzrokovano masom. Zamislite da na kuglu stavite kuglu za kuglanje. Kugla stvara depresiju u listu (gravitacijski bunar ili gravitacijsko polje). Ako bacite mramor prema lopti, on će pasti u potištenost (privući ga loptom) i može čak zaokružiti loptu (orbitu) prije nego što pogodi. Ovisno o brzini mramora, ona može pobjeći od depresije i proći loptu, ali depresija može promijeniti mramorni put. Gravitacijska polja oko masivnih predmeta poput sunca čine isto. Einstein je Newtonov zakon gravitacije izveo iz vlastite teorije relativnosti i pokazao je da su Newtonove ideje poseban slučaj relativnosti, posebno onaj koji se odnosi na slabu gravitaciju i male brzine.

Kada se razmatraju masivni objekti (Zemlja, zvijezde, galaksije), čini se da je gravitacija najmoćnija sila. Međutim, ako primijenite gravitaciju na atomsku razinu, to ima malo učinka, jer su mase subatomskih čestica toliko male. Na ovoj je razini zapravo degradiran do najslabije sile.

Pogledajmo elektromagnetizam, sljedeću temeljnu silu.

Držeći ga zajedno s elektromagnetizmom

Hajde, svi znaju da suprotnosti privlače, čak i Paula Abdul.

Hajde, svi znaju da suprotnosti privlače, čak i Paula Abdul.

-Ako četkate kosu nekoliko puta, vaša kosa može stajati na kraju i biti privučena četkom. Zašto? Kretanje četke daje električni naboj svakoj kosi, a identično nabijene pojedine dlačice se odbijaju. Slično tome, ako zajedno stavite jednake polove dva magneta u traci, oni će se odbijati. Ali postavite suprotne polove magneta jedan blizu drugoga i magneti će se međusobno privlačiti. Ovo su poznati primjeri elektromagnetske sile; suprotni naboji privlače, dok se poput naboja odbijaju.

Znanstvenici su proučavali elektromagnetizam još od 18. stoljeća, a nekoliko su njih dali zapažene doprinose.

  • 1785. poznati francuski fizičar Charles Coulomb opisao je silu električno nabijenih predmeta kao izravno proporcionalnu veličini naboja i obrnuto povezanu s kvadratom udaljenosti između njih. Poput gravitacije, i elektromagnetizam ima beskonačan raspon.
  • Godine 1819, danski fizičar Hans Christian Oersted otkrio je da su elektricitet i magnetizam u velikoj mjeri povezani, što ga je navelo da izjavi da električna struja stvara magnetsku silu.
  • Fizičar i kemičar rođen u Britaniji Michael Faraday bavio se elektromagnetizmom, pokazujući da bi magnetizam mogao biti korišten za proizvodnju električne energije 1839. godine.
  • U 1860-im, James Clerk Maxwell, škotski štrajk iz matematike i fizike, iznio je jednadžbe koje su opisale povezanost električne energije i magnetizma.
  • Napokon, Nizozemac Hendrik Lorentz izračunao je silu koja djeluje na nabijenu česticu u 1892. elektromagnetskom polju.

Kada su znanstvenici u 20. stoljeću razrađivali strukturu atoma, saznali su da subatomske čestice djeluju na druge elektromagnetske sile. Na primjer, pozitivno nabijeni protoni mogli bi zadržati negativno nabijene elektrone u orbiti oko jezgre. Nadalje, elektroni jednog atoma privukli su protone susjednih atoma da tvore a zaostala elektromagnetska sila, što vam sprečava da padnete kroz stolicu.

Ali kako elektromagnetizam djeluje u beskonačnom rasponu u velikom svijetu i na kratkom rasponu na atomskoj razini? Fizičari su smatrali da fotoni prenose elektromagnetsku silu na velikim daljinama. Ali morali su osmisliti teorije za usklađivanje elektromagnetizma na atomskoj razini, a to je dovelo do polja kvantna elektrodinamika (QED). Prema QED-u, fotoni prenose elektromagnetsku silu i makroskopski i mikroskopski; međutim, subatomske čestice stalno izmjenjuju virtualne fotone tijekom svojih elektromagnetskih interakcija.

-Ali elektromagnetizam ne može objasniti kako se jezgro drži zajedno. Tu se igraju nuklearne sile.

Neka Nuklearne snage budu s vama

Dr. Hideki Yukawa, desno, dobiva Nobelovu nagradu za fiziku u Stockholmu od tadašnjeg prestolonasljednika Gustafa Adolfa iz Švedske 10. prosinca 1949. za svoju postulaciju na mesonu.

Dr.. Hideki Yukawa, desno, dobiva Nobelovu nagradu za fiziku u Stockholmu od tadašnjeg prestolonasljednika Gustafa Adolfa iz Švedske 10. prosinca 1949. za svoju postulaciju na mesonu.

-Nukleus bilo kojeg atoma izgrađen je od pozitivno nabijenih protona i neutralnih neutrona. Elektromagnetizam nam govori da bi se protoni trebali odbijati jedni i da jezgra treba letjeti. Također znamo da gravitacija ne igra ulogu na subatomskom nivou, tako da unutar jezgre koja je jača od gravitacije i elektromagnetizma mora postojati neka druga sila. Uz to, budući da ovu silu ne doživljavamo svaki dan kao što to činimo sa gravitacijom i elektromagnetizmom, tada ona mora djelovati na vrlo kratkim udaljenostima, recimo, na skali atoma.

Sila koja drži jezgru zajedno naziva se jaka sila, naizmjenično nazvane jakom nuklearnom silom ili jakom nuklearnom interakcijom. Hideki Yukawa je 1935. godine modelirao ovu silu i predložio da protoni koji međusobno djeluju i sa neutronima razmjenjuju česticu zvanu mezon - kasnije nazvao a pion - za prijenos jake sile.

1950-ih fizičari su gradili akceleratore za čestice kako bi istražili strukturu jezgre. Kad su velikom brzinom srušili atome, pronašli su pione koje je predvidio Yukawa. Otkrili su i da su protoni i neutroni izrađeni od manjih čestica zvanih kvarkovi, Dakle, jaka sila držala je kvarkove zajedno, koji su zauzvrat držali jezgru.

Morao je objasniti još jedan nuklearni fenomen: radioaktivno propadanje. U beta emisiji, neutron propada u protone, anti-neutrino i elektron (beta čestica). Iz jezgre se izbacuju elektroni i anti-neutrino. Sila odgovorna za raspad i emisiju mora biti drugačija i slabija od jake sile, pa je to nesretno ime - slaba sila ili slaba nuklearna sila ili slaba nuklearna interakcija.

Otkrivanjem kvarkova, pokazalo se da je slaba sila odgovorna za promjenu jedne vrste kvarka u drugu kroz razmjenu čestica zvanih W i Z bozoni, koje su otkrivene 1983. Na kraju, slaba sila stvara nuklearnu fuziju na suncu a zvijezde moguće jer omogućuje formiranje i spajanje vodikovog izotopa deuterium.

-Sada možete imenovati četiri sile - gravitaciju, elektromagnetizam, slabu i jaku silu - vidjet ćemo kako se međusobno uspoređuju i djeluju.

Usporedba osnovnih sila

Sa polja QED-a i kvantna kromodinamika, ili QCD, polje fizike koje opisuje interakcije između subatomskih čestica i nuklearnih sila, vidimo da mnoge sile prenose objekti koji razmjenjuju čestice zvane mjerne čestice ili mjerni bozoni, Ti objekti mogu biti kvarkovi, protoni, elektroni, atomi, magneti ili čak planeti. Dakle, kako razmjena čestica prenosi silu? Razmotrite dva klizača koji stoje na udaljenosti. Ako jedan klizač baci loptu na drugu, klizači će se udaljavati jedan od drugog. Sile djeluju na sličan način.

Fizičari su većinu sila izolirali česticama kalibra. Snažna sila koristi pions i još jedna čestica koja se zove a gluon, Slaba sila koristi W i Z bozoni, Elektromagnetska sila koristi fotona, Smatra se da gravitaciju prenosi čestica koja se zove a graviton; međutim, gravitoni još nisu pronađeni. Neke čestice mjerača povezane s nuklearnim silama imaju masu, dok druge nemaju (elektromagnetizam, gravitacija). Budući da elektromagnetska sila i gravitacija mogu djelovati na ogromnim udaljenostima poput svjetlosnih godina, njihove čestice kalibra moraju biti u mogućnosti putovati brzinom svjetlosti, što može biti još brže za gravitone. Fizičari ne znaju kako se gravitacija prenosi. Ali, prema Einsteinovoj teoriji posebne relativnosti, nijedan objekt s masom ne može putovati brzinom svjetlosti, tako da ima smisla da su fotoni i gravitoni čestice mjerača manje mase. U stvari, fizičari su čvrsto utvrdili da fotoni nemaju masu.

Koja je sila najsnažnija od svih? To bi bila jaka nuklearna sila. Međutim, djeluje samo u kratkom rasponu, približno veličine jezgre. Slaba nuklearna sila jedna je milijunstruko jaka od jake nuklearne sile i ima još kraći domet, manji od promjera protona. Elektromagnetska sila je oko 0,7 posto jaka koliko jaka nuklearna sila, ali ima beskonačan raspon, jer fotoni koji nose elektromagnetsku silu putuju brzinom svjetlosti. Konačno, gravitacija je najslabija sila pri približno 6 x 10-29 puta ona od jake nuklearne sile. Gravitacija, međutim, ima beskonačan raspon.

- Fizičari trenutno slijede ideje da se četiri temeljne sile mogu povezati i da su izvirale iz jedne sile rano u svemiru. Ideja nije bez presedana. Nekada smo razmišljali o elektricitetu i magnetizmu kao zasebnim cjelinama, ali radovi Oersteda, Faradaya, Maxwella i drugih pokazali su da su povezani. Teorije koje odnose temeljne sile i subatomske čestice nazivaju se dolikuju velike objedinjene teorije, Više o njima sljedeći.

Ujedinjenje temeljnih snaga

Magnetska jezgra Velikog hadronskog sudara mogla bi jednog dana objediniti jaku silu sa elektro-slabom silom.

Magnetska jezgra Velikog hadronskog sudara mogla bi jednog dana objediniti jaku silu sa elektro-slabom silom.

- Znanost nikad ne počiva, pa je rad na temeljnim silama daleko od završetka. Sljedeći je izazov izgraditi jednu veliku jedinstvenu teoriju četiriju sila, posebno težak zadatak, jer su se znanstvenici borili da usklade teorije gravitacije s onima kvantne mehanike.

Tu nam dolaze od pomoći akceleratori čestica, koji pri višim energijama mogu izazvati sudare. 1963. fizičari Sheldon Glashow, Abdul Salam i Steve Weinberg sugerirali su da se slaba nuklearna sila i elektromagnetska sila mogu kombinirati u višim energijama u onome što bi se nazivalo sila elektro slabe, Predviđali su da će se to dogoditi pri energiji od oko 100 giga-elektronskih volti (100GeV) ili temperaturi od 1015 K, koji se dogodio ubrzo nakon Velikog praska. 1983. fizičari su dosegli te temperature u akceleratoru čestica i pokazali da su elektromagnetska sila i slaba nuklearna sila povezane.

Teorije predviđaju da će se jaka sila ujediniti sa snagom elektro slabe pri energiji iznad 1015 GeV i da se sve snage mogu ujediniti pri energiji iznad 1019 GeV. Te se energije približavaju temperaturi u najranijem dijelu Velikog praska. Fizičari nastoje izgraditi akcelerator čestica koji bi mogli dostići ove temperature. Najveći akcelerator čestica je Veliki hadronski sudarač u CERN-u u Ženevi, Švicarska. Kada se pojavi na mreži, moći će protone ubrzati do 99,99 posto brzine svjetlosti i dostići energiju sudara od 14 tera-elektronskih volti ili 14 TeV, što je jednako 14 000 GeV ili 1,4 x 104 GeV.

-Ako fizičari mogu pokazati da su četiri temeljne sile doista poticale iz jedne ujedinjene sile kada se svemir ohladio od Velikog praska, hoće li to promijeniti vaš svakodnevni život? Vjerojatno ne. Međutim, unaprijedit će naše razumijevanje prirode sila, kao i porijekla i sudbine svemira.


Video Dodatak: Gravitacijski fenomeni.




Istraživanje


Prva Slika Crne Rupe Dobiva Istraživače Nagradom Od Tri Milijuna Dolara
Prva Slika Crne Rupe Dobiva Istraživače Nagradom Od Tri Milijuna Dolara

Što Su Ekoplastika?
Što Su Ekoplastika?

Znanost Vijesti


Možemo Li Sahraniti Svoj Problem S Co2 U Oceanu?
Možemo Li Sahraniti Svoj Problem S Co2 U Oceanu?

Budući Tragovi Pretilosti Mogu Se Pojaviti U Dobi Od Šest Mjeseci, Predlaže Studij
Budući Tragovi Pretilosti Mogu Se Pojaviti U Dobi Od Šest Mjeseci, Predlaže Studij

Udovica Može Povećati Rizik Od Demencije
Udovica Može Povećati Rizik Od Demencije

Primanje Pobačaja Može Biti Moralni Izbor, Kaže Liječnik
Primanje Pobačaja Može Biti Moralni Izbor, Kaže Liječnik

Fotografije: 500-Godišnje Tijelo Muškarca S Visokim Bedrima
Fotografije: 500-Godišnje Tijelo Muškarca S Visokim Bedrima


HR.WordsSideKick.com
Sva Prava Pridržana!
Umnožavanje Bilo Koje Materijale Dozvoljen Samo Prostanovkoy Aktivni Link Na Stranicu HR.WordsSideKick.com

© 2005–2020 HR.WordsSideKick.com