Kraft | de fundamentale kreftene

De fundamentale kreftene

De fire fundamentale kreftene og forsøket på en forening

Alle kreftene i universet er basert på fire fundamentalkrefter. Den sterk- og svakekjernekrefter er krefter som bare virker på svært korte avstander, og er ansvarlig for samspillet mellom subatomære partikler, inkludert nukleoner og sammensatte nukleoner. Den elektromagnetiske kraften virker mellom elektrisk ladninger, og gravitasjonskraft virker mellom masseer. Alle andre krefter i naturen utledes fra disse fire fundamentalkreftene. For eksempel er friksjon en manifestasjon av den elektromagnetiske kraften som virker mellom atomer mellom to flater, samt Paulis eksklusjonsprinsipp (Pauliprinsippet),[37] som ikke tillater atomer å passere gjennom hverandre. Tilsvarende er krefter i en fjær som modelleres etter Hookes lov, egentlig et resultat av elektromagnetiske krefter og eksklusjonsprinsippet som virker sammen for å returnere et objekt tilbake til sin likevekts stilling. Og sentrifugal kreftene er akselerasjons kreftene som oppstår bare på grunn av akselerasjonen av et roterende referansesystem.[11]:12-11[14]:359

Utvikling av grunnleggende teorier for krefter gikk langs linjene av forening av ulike ideer. For eksempel forente Isaac Newton den kraften som er ansvarlig for at gjenstander faller på overflaten av jorden, med kraften som er ansvarlig for banene til planetene i sin universelle gravitasjonsteori. Michael Faraday og James Clerk Maxwell vist at elektriske og magnetiske krefter ble forent gjennom en konsistent teori om elektromagnetisme. På 1900-tallet førte utvikling av kvantemekanikk til en moderne forståelse av at de første tre fundamentale kreftene (alle unntatt gravitasjon) er manifestasjoner av materie (fermioner) i samspill med utveksling av virtuell partikkeler kalt Gauge-bosoner.[38] Standardmodellen for partikkelfysikk tar gitt en likhet mellom kreftene og ledet forskere til å forutsi forenelighet mellom de svake og elektromagnetiske krefter i teorien om elektrosvak vekselvirkning som senere er bekreftet ved observasjoner. Den fullstendige formulering av standardmodellen predikerer en hittil uobservert Higgs mekanisme, men observasjoner som nøytrinooscillasjoner tyder på at standardmodellen er ufullstendig. En storforenet teori slik at for kombinasjonen av elektrosvak vekselvirkning med den sterke kraften holdes frem som en mulighet med kandidatteorier som supersymmetri er foreslått å imøtekomme noen av de utestående uløste problemer i fysikk. Fysikere forsøker fortsatt å utvikle en konsekvent forening mellom modeller som skal kombinere alle de fire fundamentalkreftene i Teorien om alt. Einstein prøvd og feilet med dette arbeidet, men for tiden er den mest populære tilnærming for å svare på dette spørsmålet strengteori.[35]:212–219

De fire fundamentalkreftene i naturen[39]
Egenskap/Interaksjon Gravitasjon Svak Elektromagnetisk Sterk
(Elektrosvak) Fundamental Gjenværende
Virker på: Masse - Energi Svak ladning Elektrisk ladning Fargeladning Atomær nukleon
Partikler opplever: Alle Kvarker, leptoner Elektrisk ladet Kvarker, Gluoner Hadroner
Partikler formidler: Graviton
(enda ikke observert)
W+ W Z0 γ Gluoner Mesoner
Styrke i skala som kvarker: 10−41 10−4 1 60 Ikke aktuelt
for kvarker
Styrke i skala med
protoner/nøytroner:
10−36 10−7 1 Ikke aktuelt
for hadroner
20

Gravitasjonskraft

Utdypende artikkel: Tyngdekraft

Bilder av en fritt fallende basketball tatt med stroboskop med 20 blink per sekund. Distanseenhetene til høyre er multipler av omtrent 12 millimeter. Basketball starter i ro. På tidspunktet for det første blinket (avstand null) der den slippes, hvoretter antall enheter den faller er lik kvadratet av antall blink.

Det som nå kalles tyngdekraften ble ikke identifisert som en universell kraft før Isaac Newton gjorde sitt banebrytende arbeid. Før Newton ble tendensen til gjenstander til å falle mot jorda ikke forstått til å ha noen knytning til bevegelsen av himmellegemene. Galilei var medvirkende til å beskrive egenskapene til fallende gjenstander ved å bestemme at akselerasjonen til alle legemer i fritt fall var konstant og uavhengig av massen til legemet. I dag er tyngdeakselerasjonen mot jordoverflaten vanligvis definert som og har en størrelse på cirka 9,81 meter per sekund i andre (ved havnivå og kan variere avhengig av geografisk plassering), og peker mot midten av jorden.[40] Denne observasjonen betyr at tyngdekraften på et legeme på jordas overflate er direkte proporsjonal med dets masse. Dermed vil et legeme som har en masse på oppleve en kraft:

I fritt fall er denne kraften uten motstand og derfor er netto kraft på legemet dets vekt. For legemer som ikke er i fritt fall er tyngdekraften motvirket av reaksjonskrefter fra deres støtteflater. For eksempel vil en person som står på bakken erfare null netto kraft, siden hans vekt er balansert med en normalkraft som utøves av bakken oppover.[11][14]

Newtons bidrag til gravitasjonsteorien var å forene bevegelsene til himmellegemene, som Aristoteles hadde antatt var i en naturlig tilstand av konstant bevegelse, med fallbevegelse observert på Jorden. Han kom opp med det som for ettertiden er kjent som Newtons gravitasjonslov. Denne kunne redegjøre for de himmelske bevegelsene som hadde blitt beskrevet tidligere med Keplers lover.[41]

Newton kom til å innse at virkningene av tyngdekraften kan observeres på forskjellige måter ved større avstander. Spesielt har Newton fastslått at akselerasjonen til månen i sin bane rundt jorden kunne tilskrives den samme tyngdekraften som virker på jordoverflaten ved at tyngdekraften avtar med kvadratet av avstanden fra jorden. Videre innså Newton at tyngdekraften er proporsjonal med massen av legemet som utøver tiltrekningen.[41] Ved å kombinere disse ideene gis en formel som relaterer denne massen M og avstand r fra jorden til gravitasjonsakselerasjonen:

hvor vektorens retningen er gitt av , som er enhetsvektoren rettet utover fra midten av jorden.[8]

I denne ligningen brukes en dimensjonal konstant til å beskrive den relative styrken av tyngdekraften. Denne konstante har kommet for å bli kjent som Newtons gravitasjonskonstant,[42] skjønt verdien var ukjent i Newton levetid. Ikke før 1798 var Henry Cavendish i stand til å gjøre den første målingen av ved hjelp av en torsjonsfjær. Dette forsøket ble viden rapportert i datidens aviser som en måling av massen til jorden siden størrelsen av åpner for å løse likningen over for å beregne Jordens masse. Newton innså imidlertid at siden alle himmellegemer fulgt de samme bevegelseslover, måtte hans tyngdelov være universell. Kort sagt: Newtons lov om gravitasjon sier at kraften på et sfærisk legeme med masse på grunn av gravitasjonskraften fra massen er:

der er avstanden mellom de to legemes massesentra og er enhetsvektoren som peker i retning bort fra midten av det første legemet mot midten av det andre legemet.[8]

Denne formelen var kraftig nok til å stå som grunnlag for alle påfølgende beskrivelser av bevegelsene innenfor solsystemet opp til 1900-tallet. I løpet av den tiden ble sofistikerte metoder for Perturbasjons analyse oppfunnet,[43] dette for å beregne avvikene i baneer på grunn av påvirkning fra flere legemer på en planet, for eksempel månen, kometer eller asteroideer. Formalismen var nøyaktig nok til å tillate matematikere å forutsi eksistensen av planet Neptun før det ble observert.[44]

Det var bare banen til planeten Merkur at Newtons tyngdelov ikke virket til fullt ut å forklare. Noen astrofysikere forutså eksistensen av en annen planet (Vulkan) som ville forklare avviket, til tross for noen tidlige indikasjoner ble ingen slik planet funnet. Når senere Albert Einstein formulerte sin teori om generell relativitet vendte han sin oppmerksomhet til problemet med Merkurs bane og fant ut at hans teori ga en korreksjon, noe som kunne kompensere for avviket. Dette var første gang noen hadde vist at Newtons gravitasjonsteori var mindre riktig enn et alternativ.[45]

Siden da har den generelle relativitetsteorien blitt anerkjent som den teorien som best forklarer gravitasjon. I generell relativitet er tyngdekraften ikke sett på som en kraft, men snarere objekter som beveger seg fritt i gravitasjonsfelt og reiser underlagt sin egen bevegelsesmengde i rette linjer i et buet romtid. Her i betydningen den korteste veien i romtid mellom to hendelser relatert til romtid. Fra perspektivet til legemet skjer all bevegelse som om det ikke var noen gravitasjon overhodet. Det er bare når den observere bevegelsen skjer i en global betydning at krumningen av romtid kan observeres, og kraften utledes fra legemets buete bane. Således er den lineære banen i romtid sett på som en buet linje i rommet, og det kalles for en ballistisk trajektor av legemet. For eksempel vil en basketball som kastes fra bakken beveger seg i en parabel som om den er i et enhetlig gravitasjonsfelt. Dens bane i romtid (når den ekstra dimensjonen blir tilført) er nesten en rett linje, svakt buet (med krumningsradius av størrelsesorden noen få lysår). Den tidsderiverte av den skiftende bevegelsesmengden til et legeme er hva en vil kalle «gravitasjonskraft».[14]

Elektromagnetisk kraft

Elektrostatiske krefter virker på små papirbitter etter at en CD har fått et overskudd av elektrisk ladning.

Utdypende artikkel: Elektromagnetisme

Den elektrostatiske kraften ble først beskrevet i 1784 av Charles Augustin Coulomb som en kraft som eksisterte mellom to elektrisk ladninger.[23]:519 Egenskapene til den elektrostatiske kraften var at den varierte som en invers avstandskvadratlov i radial retning, der den oppstår både som tiltrekning og frastøting (det var iboende polaritet). Videre var kraften uavhengig av massen til de ladede legmene, samt at den fulgte superposisjonsprinsippet. Coulombs lov forener alle disse observasjonene til et konsist utsagn.[46]

Etterfølgende matematikere og fysikere fant at konseptet om et elektrisk felt for å være nyttig for bestemmelse av den elektrostatiske kraften på en elektrisk ladning i ethvert punkt i rommet. Det elektriske feltet ble basert på bruk av en hypotetisk testladning hvor som helst i rommet, og deretter bruke Coulombs lov til å bestemme den elektrostatisk kraften.[24]:4-6 to 4-8 Således er det elektriske felt definert hvor som helst i rommet er definert som:

der er størrelsen av en hypotetisk testladning, er kraften på testladninge.

Lorentzkraften virker på en partikkel (til venstre) eller en elektrisk strøm (til høyre) som beveger seg gjennom et magnetfelt.

I mellomtiden ble Lorentzkraften som er et fenomen relatert til magnetisme oppdaget å eksistere mellom to elektrisk strømmer. Den har samme matematiske struktur som Coulombs lov med forbehold om at strømmer i samme retning tiltrekker og i motsatte retninger virker frastøtende. I likhet med det elektriske felt, kan konseptet om et magnetfelt benyttes til å bestemme den magnetiske kraften på en elektrisk strøm i ethvert punkt i rommet. I dette tilfelle er størrelsen av det magnetiske feltet \mathbf{B} (flukstetthet) bestemt til å være:

der er lengden på den hypotetiske lederen som teststrømmen går gjennom. Det magnetiske feltet utøver en kraft på alle magneter, som for eksempel en kompassnål. Det faktum at Jordens magnetfelt er konsentrert tett langs jordens akse fører til at et kompass blir orientert i denne retningen, på grunn av den magnetiske kraften som trekke på kompassnålen.

Gjennom å kombinere definisjonen av elektrisk strøm som tidsendringstakten for en elektrisk ladning, kan en regel basert på vektor multiplikasjon kalt Lorentz lov etableres som beskriver kraften på en ladning som beveger seg i et magnetisk felt.[24] Sammenhengen mellom elektrisitet og magnetisme åpner for beskrivelse av en enhetlig elektromagnetiske kraften som virker på ladninger. Denne kraften kan skrives som en sum av den elektrostatiske kraft (på grunn av det elektriske felt), og den magnetiske kraft (på grunn av det magnetiske felt). Fullt oppgitt er denne loven:

der er den elektromagnetiske kraften, er størelsen av ladningen for partikkel, er styrken av det elektriske feltet, er hastigheten til partikkelen som er gitt av kryssproduktet med magnetfeltets flukstetthet ().

Naturen til elektriske og magnetiske felt ble ikke fullt ut forstått før i 1864 da James Clerk Maxwell samlet en rekke tidligere teorier i et sett av 20 skalarlikninger, som senere ble omformulert til fire vektorligninger av Oliver Heaviside og Josiah Willard Gibbs.[47] Maxwells likninger er en fullstendig beskrivelse av kildene til feltene som stasjonære og bevegelige ladninger, og interaksjoner av feltene selv. Dette førte til at Maxwell oppdage at elektriske og magnetiske felt kan være «selvgenererende» i form av en bølger som beveger seg med en hastighet som han regnet for å være lyshastigheten. Denne innsikten forent den gryende vitenskapen om elektromagnetisk teori med optikk og førte direkte til en fullstendig beskrivelse av elektromagnetisk spekter.[48]

Men forsøk på å forene elektromagnetisk teori med to observasjoner, fotoelektrisk effekt, og ikke-eksistens av den såkalte ultrafiolette katastrofen, ble vanskelig. Gjennom arbeidet utført av ledende teoretiske fysikere, ble en ny teori om elektromagnetisme utviklet ved hjelp av kvantemekanikk. Denne siste modifikasjonen av elektromagnetisk teori førte til slutt til Kvanteelektrodynamikk, som fullt ut beskriver alle elektromagnetiske fenomener som blir formidlet av bølgepartikler som kalles fotoner. I kvanteelektrodynamikk er fotoner den grunnleggende utvekslingspartikkelen som beskrev alle interaksjoner knyttet til elektromagnetisme, inkludert den elektromagnetiske kraften.

Det er en vanlig misforståelse å tilskrive stivhet og fasthet i fast stoff til frastøting av like ladninger under påvirkning av den elektromagnetiske kraften. Men disse egenskapene skyldes faktisk Pauliprinsippet. Siden elektroner er fermioner, kan de ikke okkupere samme kvantemekaniske tilstand som andre elektroner. Når elektronene i et materiale er tett pakket sammen, er det ikke nok lavere energinivåer i form av kvantemekaniske tilstander for dem alle, så noen av dem må være i høyere energitilstander. Dette betyr at det trengs energi for å pakke dem sammen. Selv om denne effekten er manifestert makroskopisk som en strukturell kraft, er det teknisk bare et resultat av eksistensen av et begrenset sett av elektrontilstander.

Sterk kjernekraft

Det er to «kjernekrefter» som det i dag er vanlig å beskrive som interaksjoner som beskrives i den del av kvanteteorier som omhandler partikkelfysikk. Den sterke kjernekraften[23]:940 er kraften som er ansvarlig for den strukturelle integriteten til atomkjernene mens svak kjernekraft[23]:951 er ansvarlig for nedbrytning av visse nukleoner til leptoner og andre typer hadroner.[11][14]

Den sterke kjernekraften er i dag forstått å representere interaksjon mellom kvarker og gluoner s som er beskrevet av teorien om kvantekromodynamikk[49] Den sterke kjernekraft er en fundamentalkraft formidlet av gluoner, virker på kvarker, antikvarker, og gluoner selv. Den sterk kjernekraft er «sterkeste» av de fire fundamentale kreftene, derav navnet.

Den sterke kjernekraften virker bare direkte på elementærpartikler. Imidlertid er en rest av den kraften som observert mellom hadroner. Det mest kjente eksempel er den kraften som virker mellom nukleoner i atomkjerner som nukleærkraft. Her virker den sterk kjernekraften indirekte, overføres som gluoner, som utgjør en del av de virtuelle pi og rho mesoner, som klassisk overfører kjernekraften. De mange mislykkede søk etter frie kvarer har vist at elementærpartiklene som er berørt ikke er direkte observerbare. Dette fenomenet kalles fargesperring.

Svak kjernekraft

Den svake kjernekraft har sitt opphav i utveksling av tunge W- og Z-bosoner. Den mest kjente effekten er betahenfall (av nøytroner i atomkjerner) og den tilhørende radioaktivitet. Ordet «svak» er på grunn av det faktum at feltstyrken er rundt 1013 ganger mindre enn den for sterk kjernekraft. Likevel er den sterkere enn tyngdekraften over korte avstander. En konsistent elektrosvak teorien har også blitt utviklet, noe som viser at elektromagnetiske krefter og den svake kjernekraft er umerkbar ved temperaturer på i overkant av cirka 1015  Kelvin. Slike temperaturer har blitt undersøkt i moderne partikkelakseleratorer og viser forholdene i universet i de tidlige øyeblikk av Big Bang.

Andre språk
norsk nynorsk: Kraft
dansk: Kraft
svenska: Kraft
íslenska: Kraftur
Afrikaans: Krag
Alemannisch: Kraft
አማርኛ: ጉልበት
العربية: قوة
aragonés: Fuerza
অসমীয়া: বল
asturianu: Fuercia
تۆرکجه: گوج
বাংলা: বল
Bân-lâm-gú: La̍t
башҡортса: Көс
беларуская: Сіла
беларуская (тарашкевіца)‎: Сіла (фізычная велічыня)
български: Сила
Boarisch: Kroft
bosanski: Sila
буряад: Хүсэн
català: Força
čeština: Síla
chiShona: Manikidzo
Cymraeg: Grym
Deutsch: Kraft
eesti: Jõud
Ελληνικά: Δύναμη
English: Force
español: Fuerza
Esperanto: Forto
estremeñu: Huerça
euskara: Indar
فارسی: نیرو
Fiji Hindi: Taagat
français: Force (physique)
Gaeilge: Fórsa
Gaelg: Forse
galego: Forza
贛語:
ગુજરાતી: બળ
客家語/Hak-kâ-ngî: Li̍t
한국어: 힘 (물리)
հայերեն: Ուժ
हिन्दी: बल (भौतिकी)
hrvatski: Sila
Ido: Forco
Bahasa Indonesia: Gaya (fisika)
interlingua: Fortia
isiXhosa: Ifolokhwe
italiano: Forza
ಕನ್ನಡ: ಬಲ
ქართული: ძალა
қазақша: Күш
Kiswahili: Kani
Kreyòl ayisyen: Fòs
kurdî: Hêz
Latina: Vis
latviešu: Spēks
lietuvių: Jėga
Limburgs: Krach
Luganda: Force
lumbaart: Forza
magyar: Erő
македонски: Сила
മലയാളം: ബലം
मराठी: बल
مازِرونی: نیرو
Bahasa Melayu: Daya (fizik)
монгол: Хүч
မြန်မာဘာသာ: အား
Nederlands: Kracht
नेपाली: बल
नेपाल भाषा: तिबः
日本語: 力 (物理学)
Nordfriisk: Krääft (füsiik)
occitan: Fòrça
ଓଡ଼ିଆ: ବଳ
oʻzbekcha/ўзбекча: Kuch
ਪੰਜਾਬੀ: ਜ਼ੋਰ
پنجابی: زور
Patois: Fuos
ភាសាខ្មែរ: កម្លាំង
polski: Siła
português: Força
Qaraqalpaqsha: Ku'sh
română: Forță
Runa Simi: Kallpa
русиньскый: Сила
русский: Сила
संस्कृतम्: परस्परक्रिया
sardu: Fortzas
shqip: Forca
sicilianu: Forza
සිංහල: බලය
Simple English: Force
slovenčina: Sila
slovenščina: Sila
Soomaaliga: Awood
српски / srpski: Сила
srpskohrvatski / српскохрватски: Sila
Basa Sunda: Gaya
Tagalog: Puwersa
தமிழ்: விசை
татарча/tatarça: Köç
తెలుగు: బలం
ไทย: แรง
Türkçe: Kuvvet
українська: Сила
اردو: قوت
vèneto: Forsa
Tiếng Việt: Lực
Winaray: Kusog
吴语:
ייִדיש: קראפט
粵語:
中文:
Kabɩyɛ: Ɖoŋ