מהליכה ברחוב, לשיגור רקטה לחלל, להדבקת מגנט על המקרר שלך, כוחות פיזיים פועלים סביבנו. אבל כל הכוחות שאנו חווים כל יום (ורבים שאיננו מבינים שאנו חווים כל יום) ניתנים לניתוח לארבעה כוחות יסודיים בלבד:
- כוח משיכה.
- הכוח החלש.
- אלקטרומגנטיות.
- הכוח החזק.
אלה נקראים ארבעת כוחות היסוד של הטבע, והם שולטים בכל מה שקורה ביקום.
כוח משיכה
כוח המשיכה הוא המשיכה בין שני עצמים שיש להם מסה או אנרגיה, בין אם זה נראה בהורדת סלע מגשר, כוכב לכת המקיף כוכב או הירח הגורם לשפל באוקיינוס. כוח המשיכה הוא ככל הנראה האינטואיטיבי והמוכר מבין כוחות היסוד, אך זה היה גם אחד המאתגרים ביותר להסביר.
אייזק ניוטון היה הראשון שהציע את רעיון הכובד, כביכול בהשראת תפוח שנפל מעץ. הוא תיאר את כוח המשיכה כמשיכה מילולית בין שני עצמים. מאות שנים לאחר מכן, אלברט איינשטיין הציע, באמצעות תיאוריית היחסות הכללית שלו, כי כוח המשיכה אינו משיכה או כוח. במקום זאת, זה תוצאה של עצמים שמתכופפים למרחב-זמן. אובייקט גדול עובד על זמן-חלל, דומה לאופן שבו כדור גדול המונח באמצע הסדין משפיע על החומר הזה, מעוות אותו וגורם לחפצים אחרים, קטנים יותר על הגיליון ליפול לכיוון האמצע.
למרות שכוח הכבידה מחזיק כוכבי לכת, כוכבים, מערכות סולאריות ואפילו גלקסיות יחד, זה מתברר כחלש מבין הכוחות הבסיסיים, במיוחד בקנה מידה המולקולרי והאטומי. חשבו על זה ככה: כמה קשה להרים כדור מהקרקע? או להרים את כף הרגל? או לקפוץ? כל אותן פעולות מונות את כוח המשיכה של כדור הארץ כולו. וברמות המולקולריות והאטומיות, לכוח המשיכה כמעט ואין השפעה יחסית לכוחות היסוד האחרים.
הכוח החלש
הכוח החלש, המכונה גם האינטראקציה הגרעינית החלשה, אחראי להתפרקות החלקיקים. זהו השינוי המילולי של סוג אחד של חלקיק תת-אטומי לסוג אחר. כך, למשל, נייטרינו המתאמץ קרוב לניוטרון יכול להפוך את הנויטרון לפרוטון ואילו הנייטרינו הופך לאלקטרון.
פיזיקאים מתארים אינטראקציה זו באמצעות חילופי חלקיקים נושאי כוח הנקראים בוסונים. סוגים ספציפיים של בוזונים אחראים לכוח החלש, כוח אלקטרומגנטי וכוח חזק. בכוח החלש, הבוזונים הם חלקיקים טעונים הנקראים W ו- Z בוסונים. כאשר חלקיקים תת-אטומיים כמו פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים מגיעים בטווח של 10 ^ 18 מטר, או 0.1% מקוטרו של פרוטון, זה מזה, הם יכולים להחליף את הבוזונים הללו. כתוצאה מכך, החלקיקים התת-אטומיים מתפרקים לחלקיקים חדשים, לפי אתר HyperPhysics באוניברסיטת ג'ורג'יה.
הכוח החלש הוא קריטי לתגובות האיחוי הגרעיני המפעילות את השמש ומייצרות את האנרגיה הדרושה לרוב צורות החיים כאן על כדור הארץ. זו גם הסיבה שהארכיאולוגים יכולים להשתמש בפחמן 14 עד היום עצמות קדומות, עצים וממצאים חיים אחרים שהיו בעבר. לפחמן -14 יש שישה פרוטונים ושמונה נויטרונים; אחד מאותם נויטרונים מתפרק לפרוטון ליצירת חנקן -14, שיש בו שבעה פרוטונים ושבעה נויטרונים. דעיכה זו מתרחשת בקצב צפוי, ומאפשרת למדענים לקבוע כמה ישנים של ממצאים כאלה.
כוח אלקטרומגנטי
הכוח האלקטרומגנטי, המכונה גם כוח לורנץ, פועל בין חלקיקים טעונים, כמו אלקטרונים טעונים באופן שלילי ופרוטונים טעונים חיוביים. מטענים מנוגדים מושכים זה את זה ואילו מטענים דוחים. ככל שהמטען גדול יותר, הכוח גדול יותר. ובדומה לכוח המשיכה, ניתן לחוש כוח זה ממרחק אינסופי (אם כי הכוח יהיה קטן מאוד מאוד באותו מרחק).
כשמו כן הוא, הכוח האלקטרומגנטי מורכב משני חלקים: הכוח החשמלי והכוח המגנטי. בתחילה, פיזיקאים תיארו כוחות אלה כנפרדים זה מזה, אולם החוקרים הבינו מאוחר יותר כי השניים הם רכיבים מאותו כוח.
הרכיב החשמלי פועל בין חלקיקים טעונים בין אם הם נעים או נייחים, ויוצר שדה שבאמצעותו המטענים יכולים להשפיע זה על זה. אבל ברגע שהופעלו לתנועה, החלקיקים הטעונים הללו מתחילים להציג את המרכיב השני, הכוח המגנטי. החלקיקים יוצרים שדה מגנטי סביבם תוך כדי תנועה. כך שכאשר אלקטרונים מתקרבים דרך חוט לטעינה של המחשב או הטלפון שלך או הדלקת הטלוויזיה למשל, החוט הופך להיות מגנטי.
כוחות אלקטרומגנטיים מועברים בין חלקיקים טעונים דרך חילופי בוזונים חסרי-מסה, המונעים בכוח הנקראים פוטונים, שהם גם מרכיבי החלקיקים של האור. הפוטונים נושאי הכוח המחליפים בין חלקיקים טעונים, לעומת זאת, הם ביטוי שונה של פוטונים. הם וירטואליים ולא ניתנים לגילוי, למרות שהם מבחינה טכנית הם אותם חלקיקים כמו הגרסה האמיתית והניתנת לגילוי, לפי אוניברסיטת טנסי, נוקסוויל.
הכוח האלקטרומגנטי אחראי לכמה מהתופעות הנפוצות ביותר: חיכוך, גמישות, הכוח הנורמלי והכוח המחזיק מוצקים יחד בצורה נתונה. זה אפילו אחראי לדראג שעופות, מטוסים ואפילו סופרמן חווים תוך כדי טיסה. פעולות אלה יכולות להתרחש בגלל חלקיקים טעונים (או מנוטרלים) האינטראקציה זה עם זה. הכוח הנורמלי השומר על ספר על שולחן (במקום כוח הכבידה שיוליך את הספר לקרקע), למשל, הוא תוצאה של אלקטרונים באטומי השולחן הדוחים אלקטרונים באטומי הספר.
הכוח הגרעיני החזק
הכוח הגרעיני החזק, המכונה גם האינטראקציה הגרעינית החזקה, הוא החזק מבין ארבעת כוחות היסוד של הטבע. זה 6,000 טריליון טריליון טריליון (זה 39 אפסים אחרי 6!) חזק פי כמה מכוח הכובד, לפי אתר HyperPhysics. וזה מכיוון שהוא קושר את חלקיקי החומר הבסיסיים יחד ליצירת חלקיקים גדולים יותר. הוא מאגד את הקווארקים המרכיבים פרוטונים ונויטרונים, וחלק מהכוח החזק גם מחזיק את הפרוטונים והנויטרונים של גרעין האטום יחד.
בדומה לכוח החלש, הכוח החזק פועל רק כאשר חלקיקים תת-אטומיים קרובים אחד לשני. הם צריכים להיות איפשהו במרחק של 10 עד 15 מטר זה מזה, או בערך בקוטר של פרוטון, על פי אתר HyperPhysics.
אולם הכוח החזק מוזר מכיוון שבניגוד לאף אחד מהכוחות הבסיסיים האחרים, הוא נחלש ככל שחלקיקים תת-אטומיים מתקרבים זה לזה. זה למעשה מגיע לחוזק מירבי כאשר החלקיקים רחוקים זה מזה, לפי פרמילאב. לאחר הטווח, בוזונים טעונים ללא מסה המכונים גלואונים מעבירים את הכוח החזק בין הקווארקים ושומרים אותם "מודבקים" זה בזה. חלק זעיר מהכוח החזק המכונה הכוח החזק שנותר פועל בין פרוטונים לנויטרונים. פרוטונים בגרעין דוחים זה את זה בגלל המטען הדומה שלהם, אך הכוח החזק שנותר יכול להתגבר על הדחייה הזו, ולכן החלקיקים נשארים כבולים בגרעין האטום.
איחוד הטבע
השאלה הבולטת של ארבעת הכוחות הבסיסיים היא האם הם למעשה ביטויים של כוח גדול אחד בלבד של היקום. אם כן, כל אחד מהם צריך להיות מסוגל להתמזג עם האחרים, וכבר יש עדויות לכך שהם יכולים.
הפיזיקאים שלדון גלשוב וסטיבן ויינברג מאוניברסיטת הרווארד עם עבדוס סלאם ממכללת האימפריאל לונדון זכו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1979 על איחוד הכוח האלקטרומגנטי עם הכוח החלש כדי ליצור את המושג של כוח האלקטרוייק. פיסיקאים הפועלים למצוא תיאוריה כביכול גדולה המאוחדת שמטרתם לאחד את כוח המסלול האלקטרוני עם הכוח החזק כדי להגדיר כוח אלקטרוני-גרעיני, שדגמים חזו אך החוקרים טרם צפו. החלק האחרון של הפאזל ידרוש אז איחוד כוח הכבידה עם הכוח האלקטרוני-גרעיני כדי לפתח את מה שנקרא תיאוריה של הכל, מסגרת תיאורטית שיכולה להסביר את היקום כולו.
עם זאת, פיזיקאים התקשו די למזג את העולם המיקרוסקופי לזה המקרוסקופי. בקנה מידה גדול ובעיקר אסטרונומי, כוח המשיכה שולט ומתואר בצורה הטובה ביותר על ידי תיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין. אולם במאזניים מולקולריים, אטומיים או תת אטומיים, מכניקת הקוונטים מתארת בצורה הטובה ביותר את העולם הטבעי. ועד כה איש לא מצא דרך טובה למזג את שני העולמות הללו.
פיסיקאים החוקרים את כוח הכבידה הקוונטי מטרתם לתאר את הכוח במונחים של העולם הקוונטי, שיכול לעזור במיזוג. היסוד בגישה זו יהיה גילוי הכבידה, הבוזון התיאורטי הנושא את הכוח של כוח הכבידה. כוח המשיכה הוא הכוח הבסיסי היחיד שהפיזיקאים יכולים לתאר בימינו מבלי להשתמש בחלקיקים נושאי כוח. אך מכיוון שתיאורים של כל הכוחות הבסיסיים האחרים דורשים חלקיקים נושאי כוח, מדענים צופים כי גרביטונים חייבים להתקיים ברמה התת אטומית - החוקרים פשוט לא מצאו עדיין את החלקיקים האלה.
מה שמסבך עוד יותר את הסיפור הוא התחום הבלתי נראה של חומר אפל ואנרגיה אפלה, המהווים כ 95% מהיקום. לא ברור אם חומר אפל ואנרגיה מורכבים מחלקיק יחיד או מערך שלם של חלקיקים שיש להם כוחות משלהם ובוזון שליחים.
חלקיק המסנגרים העיקרי המעניין כיום הוא הפוטון הכהה התיאורטי, אשר יתווך אינטראקציות בין היקום הנראה והבלתי נראה. אם קיימים פוטונים כהים הם יהיו המפתח לגילוי העולם הבלתי נראה של החומר האפל ויכולים להוביל לגילוי כוח יסודי חמישי. אולם עד כה אין הוכחות לכך שקיימים פוטונים כהים, ומחקרים מסוימים הציעו עדויות חזקות לכך שחלקיקים אלו אינם קיימים.
