Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: FIZYKA TEORETYCZNA →

Siły przyrody

Wszechświat zbudowany jest z materii i próżni. Podstawowymi składnikami materii są cząstki elementarne, które nie są wobec siebie obojętne, ale oddziałują między sobą w ściśle określony sposób. Dzięki temu, powstają w przyrodzie formy materialne wyższego rzędu, bardziej złożone.
Wedle współczesnej wiedzy, w przyrodzie istnieją 4 podstawowe typy oddziaływań (sił): elektromagnetyczne, grawitacyjne, silne i słabe.
Jak się uważa, każdy rodzaj interakcji między cząstkami materii jest możliwy dzięki wymianie nośników oddziaływań. Są one charakterystyczne dla każdej z sił, a ich cechą wspólną jest fakt, że wszystkie są bozonami, czyli cząstkami o spinie wyrażonym liczbą całkowitą.

ODDZIAŁYWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE jest charakterystyczne dla cząstek, niosących ładunek o niezerowej wartości (albo ujemny albo dodatni). Kryteria te spełniają kwarki (składniki protonu i neutronu) oraz naładowane leptony (np. elektron).
Jak powszechnie wiadomo, cząstki o tym samym znaku ładunku odpychają się, a te o przeciwnym - przyciągają. Nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych jest foton - bozon o spinie równym 1.
To właśnie tej sile zawdzięczamy istnienie skomplikowanych cząsteczek i atomów, złożonych z jądra i elektronów.
Oddziaływanie elektromagnetyczne ma nieograniczony zasięg i jest drugą pod względem natężenia siłą przyrody. Natężenie to wyraża tzw. stała sprzężenia, która w elektromagnetyzmie zwana jest stałą struktury subtelnej. We współczesnym Wszechświecie ma ona wartość 1/137.
Zjawiskami elektromagnetycznymi zajmuje się teoria o nazwie: elektrodynamika kwantowa (QED). Cechuje ją pewna symetria, czyli niezmienniczość postaci równań pomimo pewnych operacji matematycznych. Symetria ta nosi nazwę U(1).

ODDZIAŁYWANIE SILNE zachodzi tylko pomiędzy cząstkami, które mają tzw. kolor. Jest to rodzaj "ładunku silnego", który ma 3 typy: czerwony, zielony i niebieski. Każdy typ może mieć wartość plus lub minus.
W przyrodzie istnieje tylko jeden rodzaj cząstek oddziałujących silnie (oprócz gluonów). Są to kwarki. Siła silna pozwala im na stworzenie struktur dwukwarkowych i trójkwarkowych.
Te pierwsze to mezony i są one zawsze zbudowane z kwarków o tym samym kolorze, ale przeciwnej jego wartości (np. zielony+ i zielony-). Formy trójkwarkowe to bariony, tworzone zawsze przez kwarki o 3 różnych kolorach tego samego znaku (np. czerwony+, zielony+ i niebieski+). To właśnie do barionów zaliczamy proton i neutron - składniki jąder atomowych.
Nie należy mylić omawianej tu siły silnej z oddziaływaniem silnym jądrowym, które spaja neutrony i protony w jądrze. Jest ono po prostu skomplikowaną wypadkową podstawowej siły silnej.
Nośnikami oddziaływania silnego są gluony - bozony o spinie równym 1. Jest ich aż 8 rodzajów.
Oddziaływanie to jest najsilniejszą siłą przyrody, o stałej sprzężenia równej około 1. Ma ono zasięg około 10-13 cm, czyli ograniczone jest jedynie do wnętrza barionu lub mezonu.
Siłą silną zajmuje się teoria, zwaną chromodynamiką kwantową (QCD). Cechuje ją specyficzna symetria SU(3).

ODDZIAŁYWANIE SŁABE dotyczy zarówno leptonów, jak i kwarków. Dzięki niemu zachodzi rozpad beta protonów lub neutronów. Jest ono również odpowiedzialne za rozpraszanie leptonów na sobie lub na kwarkach. Podczas tego rozproszenia, cząstki mogą zachować swoją tożsamość lub zamieniać się w inne (leptony w inne leptony, a kwarki w inne kwarki).
W pierwszym przypadku mamy do czynienia z prądem neutralnym i pośredniczy w nim bezładunkowy bozon Z0 o spinie 1. W drugim przypadku obserwujemy prąd ładunkowy, w którym uczestniczą naładowane bozony W+ i W-, również o spinie 1.
Oddziaływanie słabe ma najkrótszy zasięg; rzędu 10-16 cm. Jest to trzecia pod względem natężenia siła przyrody, o stałej sprzężenia, której wartość wynosi około 10-5. Zjawiskami "słabymi" zajmuje się teoria elektrosłaba, która dotyczy także oddziaływań elektromagnetycznych, a więc jest ona już teorią zunifikowaną. Symetria jej równań nosi nazwę SU(2) x U(1).

ODDZIAŁYWANIE GRAWITACYJNE jest najbardziej powszechnym ze wszystkich oddziaływań przyrody. Dotyczy wszystkich ciał mających masę (energię) i jest zawsze przyciągające. Możemy uważać masę za "ładunek grawitacyjny".
Grawitacja to również najsłabsza siła przyrody. Wartość jej stałej sprzężenia to tylko
10-38. Wydaje się nam ona najbardziej zauważalna, bo ma ona nieograniczony zasięg i jest niemała dla dużych mas. Tak więc, ona odpowiada za przyciąganie ziemskie, jak i tworzenie się i działanie układów planetarnych, a także galaktyk.
Przypuszcza się, że nośnikiem oddziaływań grawitacyjnych jest grawiton - bozon o spinie równym 2. Jest to jednak cząstka hipotetyczna; jedyny bozon pośredniczący, którego istnienia do tej pory nie potwierdzono.
Pierwszą teorię grawitacji sformułował Izaak Newton. Było to prawo powszechnego ciążenia. Dysponujemy też teorią dokładniejszą, zwaną ogólną teorią względności. Jej autorem jest wielki Albert Einstein.

Stałe sprzężenia oddziaływań nie są tak naprawdę stałymi, bo zależą one od energii.
W przeszłości, kiedy Wszechświat był mniejszy, jego temperatura wyższa, a procesy zachodziły w wyższych energiach, oddziaływanie silne było słabsze, a słabe i elektromagnetyczne - silniejsze. W temperaturze 1029 kelwinów, te 3 siły miały prawdopodobnie bardzo zbliżone natężenie, bo stała sprzężenia dla nich wszystkich wynosiła około 1/42.
Przypuszcza się, że przy jeszcze wyższych energiach i temperaturach (1032 K) następuje unifikacja czwartej siły - grawitacji, ale nie jest to pewne, bo nie dysponujemy sprawdzoną teorią, która przewidywałaby takie zjawisko.

Na dzień dzisiejszy, jesteśmy pewni istnienia 4 podstawowych sił przyrody. Naukowcy postulują istnienie większej ich liczby i poszukują ich. Oto przykłady hipotetycznych oddziaływań podstawowych:
  • specyficzna siła pomiędzy materią i antymaterią
  • siła antygrawitacyjna, zauważalna na dużych odległościach (niezerowa stała kosmologiczna)
  • oddziaływanie postulowane przez GUT - teorię wielkiej unifikacji teorii elektrosłabej z QCD, o symetrii SU(5). Miałoby ono zachodzić pomiędzy kwarkami i doprowadzać do ich zamiany w leptony. Pośredniczyć w tym procesie miałyby bozony X i Y. Dzięki temu oddziaływaniu, rozpad bardzo stabilnego protonu byłby możliwy.
Jak dotąd, nie znaleziono przekonywających, jednoznacznych dowodów na istnienie większej liczby podstawowych sił w przyrodzie.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski