Interacțiuni fundamentale

În fizică , interacțiunile fundamentale sau forțele fundamentale sunt interacțiunile sau forțele naturii care ne permit să descriem fenomene fizice la toate scările de distanță și energie și care, prin urmare, nu pot fi atribuite altor forțe.

Au fost identificate patru forțe sau interacțiuni fundamentale: interacțiunea gravitațională , interacțiunea electromagnetică , interacțiunea slabă și interacțiunea puternică . Pentru energiile de ordinul a 100 GeV , forța electromagnetică și forța slabă apar ca unite în interacțiunea electrolabă .

Au fost propuse forțe suplimentare pentru a explica unele deficiențe ale teoriilor actuale și în ceea ce privește rezultatele experimentale (de exemplu, interacțiunile materiei întunecate nu sunt încă cunoscute), dar în acest moment nu există un consens cu privire la existența lor și la proprietățile lor posibile.

Caracteristici de bază

Sistemul solar a explicat în termeni de gravitație universală

Intervalul și intensitatea unei forțe sunt cele mai importante două caracteristici ale interacțiunilor fundamentale. Intensitatea oferă o măsură a relațiilor de putere dintre interacțiunile de natură diferită. Pur și simplu, intervalul poate fi considerat distanța maximă la care influențează o interacțiune. De exemplu, interacțiunea gravitațională are o gamă infinită de acțiuni; din acest motiv, Soarele își exercită forța chiar și asupra corpurilor foarte îndepărtate, cum ar fi Pluto .

Reprezentarea schematică a legii lui Coulomb .

Interacțiunea gravitațională

Același subiect în detaliu: interacțiunea gravitațională .

Interacțiunea gravitațională determină forța gravitațională pe Pământ și atracția dintre planete, fenomen descris într-o bună aproximare de legea gravitației universale . Două corpuri se atrag reciproc într-un mod direct proporțional cu produsul maselor lor, cu alte cuvinte forța gravitațională este proporțională cu masa, spre deosebire de interacțiunea electromagnetică, unde sarcina electrică a unui corp nu are în general nicio legătură cu masa. Este de departe cea mai slabă dintre interacțiunile fundamentale (vezi tabelul). Cea mai completă înțelegere a gravitației ca expresie a geometriei spațiu-timp se datorează relativității generale .

Interacțiunea electromagnetică

Același subiect în detaliu: interacțiunea electromagnetică .

Diagrama Feynman reprezentând degradarea beta negativă

Interacțiunea electromagnetică este responsabilă de proprietățile chimice ale atomilor și de structura moleculelor . Sarcina electrică determină intensitatea și direcția interacțiunii dintre corpurile încărcate, corpurile cu aceleași sarcini electrice se resping reciproc, în timp ce corpurile cu sarcini electrice discordante se atrag reciproc. Forța electromagnetică este rezultatul interacțiunii locale dintre corpurile încărcate și câmpul electromagnetic. Câmpul electromagnetic se poate propaga ca o undă, ca în cazul undelor radio și a luminii în sine. Chiar și interacțiunea electromagnetică are o gamă infinită de interacțiuni, de exemplu lumina emisă de stelele celor mai îndepărtate galaxii ajunge pe Pământ și interacționează cu atomii atmosferei, cu ochii noștri și cu telescoapele noastre. Interacțiunea electromagnetică are puțină influență în determinarea structurii sistemelor planetare, a galaxiilor și, în general, a universului la scară largă. De fapt, stelele, planetele și galaxiile sunt obiecte la nivel global lipsite de sarcină electrică, astfel încât interacțiunea dintre aceste corpuri cerești este dominată de forța gravitației .

Un proton , compus din doi quark în sus și unul în jos, și gluonii care mediază forța puternică care leagă quark-urile. Atribuirea culorii fiecărui quark este arbitrară, dar toate tipurile de culoare trebuie să fie prezente pentru a obține o încărcare zero totală

Interacțiune nucleară slabă

Același subiect în detaliu: interacțiune nucleară slabă .

Interacțiunea nucleară slabă este responsabilă de forțele implicate în degradarea nucleară . Interacțiunea slabă are un interval finit de acțiune comparabil cu scalele de lungime subatomică, deci deosebit de mici, în comparație cu scalele umane.

Interacțiune nucleară puternică

Același subiect în detaliu: interacțiune nucleară puternică .

Interacțiunea nucleară puternică, dotată cu o proprietate numită încărcare de culoare , ține împreună quarcii , constituenții elementari ai protonilor și neutronilor și, de asemenea, aceștia din urmă în interiorul nucleului. Este, în termeni absoluți, cea mai intensă forță dintre cele cunoscute până acum, până la punctul în care nu este posibil la o energie scăzută să izolăm și să separăm un singur quark de un proton. Prin urmare, această limitare a încărcăturii culorilor permite interacțiuni puternice cu rază lungă de acțiune numai prin intermediul bosonilor compuși neutri la nivel global, formați dintr-un quark și un antiquark , la rândul lor legați de forța puternică ( mezonii ). Cu toate acestea, deoarece toate acestea sunt instabile și se descompun într-un timp scurt, forța nucleară puternică acționează de fapt doar la o distanță mică în nuclee. De exemplu, interacțiunea puternică dintre doi nucleoni poate fi descrisă la energie scăzută ca rezultat al schimbului de mezoni Pi sau pioni .

Caracteristici cuantice

Conform teoriei cuantice a câmpului , particulele care alcătuiesc materia interacționează prin schimbul unuia sau mai multor bosoni gauge , particule elementare care mediază forța care alcătuiesc cuantele câmpului respectiv. Interacțiunea dintre doi electroni are loc, de exemplu, prin emisia și absorbția fotonilor . Bosonii unei teorii gauge sunt bosoni vectoriali , adică au spin egal cu unu, cu excepția gravitonului , boson gauge într-o formulare cuantică ipotetică a interacțiunii gravitaționale , care ar trebui să aibă spin egal cu doi.

Interacţiune	Mediator	Magnitudine relativă	Tendință asimptotică	Intervalul de acțiune
Interacțiune puternică	gluon	$10^{38}$ ${\ displaystyle 10 ^ {38}}$ $10 ^ {{38}}$	${\frac {e^{-Mr}}{r}}$ ${\ displaystyle {\ frac {e ^ {- Mr}} {r}}}$ ${\ frac {e ^ {{- Mr}}} {r}}$	$1{,}4\cdot 10^{-15}\;{\text{m}}$ ${\ displaystyle 1 {,} 4 \ cdot 10 ^ {- 15} \; {\ text {m}}}$ ${\ displaystyle 1 {,} 4 \ cdot 10 ^ {- 15} \; {\ text {m}}}$
Interacțiunea electromagnetică	foton	$10^{36}$ ${\ displaystyle 10 ^ {36}}$ $10 ^ {{36}}$	${\frac {1}{r^{2}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {r ^ {2}}}}$ ${\ frac {1} {r ^ {2}}}$	$\infty$ ${\ displaystyle \ infty}$ $\ infty$
Interacțiune slabă	Bosoni W și Z	$10^{25}$ ${\ displaystyle 10 ^ {25}}$ $10 ^ {25}$	${\frac {e^{-Mr}}{r}}$ ${\ displaystyle {\ frac {e ^ {- Mr}} {r}}}$ ${\ frac {e ^ {{- Mr}}} {r}}$	$10^{-18}\;{\text{m}}$ ${\ displaystyle 10 ^ {- 18} \; {\ text {m}}}$ $10 ^ {{- 18}} \; {\ text {m}}$
Interacțiunea gravitațională	graviton (?)	$10^{0}$ ${\ displaystyle 10 ^ {0}}$ $10 ^ {0}$	${\frac {1}{r^{2}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {1} {r ^ {2}}}}$ ${\ frac {1} {r ^ {2}}}$	$\infty$ ${\ displaystyle \ infty}$ $\ infty$

Unificarea forțelor

În perioada dintre introducerea schemei dinamice a lui Newton , cu Principia din 1687 și apariția relativității speciale din 1905, au existat multe evoluții importante în reprezentarea fizicii fundamentale. Cea mai importantă se referă la ideea, introdusă de Faraday și Maxwell în secolul al XIX-lea, că noțiunea de câmp fizic , care pătrunde în spațiu, trebuie să coexiste cu realitatea newtoniană a particulelor individuale care interacționează prin forțe instantanee. ^[1] Filosofia mecanicistă a secolului al XVII-lea a prevăzut de fapt un model al lumii microscopice compus din corpusculi foarte mici înzestrați cu proprietăți similare cu cele ale bilelor de biliard din așa-numita lume macroscopică. ^[2]

Descoperirile lui Michael Faraday, în jurul anului 1833, și reprezentările realității necesare aranjării sale, au oferit primele indicații pentru necesitatea unei astfel de schimbări de paradigmă . ^[3]

Schimbarea a implicat convingerea că particulele newtoniene și forțele care acționează între ele nu au fost singurele elemente în joc. Maxwell, în 1864, a formulat ecuațiile pe care acest câmp trebuie să le satisfacă și a dovedit că câmpurile transportă energie dintr-un loc în altul. Forma acestor ecuații a ghidat oameni de știință precum Lorentz , Poincaré și Einstein către transformările spațiu-timp ale relativității speciale care, la rândul lor, au condus la concepția lui Minkowski despre spațiu-timp. ^[4]

În 1873 Maxwell a descoperit că două forțe aparent diferite ale naturii, forța magnetică și forța electrică, sunt de fapt manifestări ale aceleiași interacțiuni fundamentale. Ecuațiile lui Maxwell au făcut posibilă combinarea într-o formulare matematică sintetică și elegantă a legilor electricității și magnetismului cunoscute atunci, în principal legea inducției Faraday , teorema lui Gauss pentru câmpul electric și legea lui Ampère , la care Maxwell a adăugat un termen cunoscut sub numele de curent de deplasare . Toate ecuațiile luate împreună descriu toate fenomenele electromagnetice într-un mod unificat și complet, cum ar fi atracția dintre doi magneți și propagarea luminii în cosmos.

În mod similar, în secolul al XX-lea, s-a descoperit că interacțiunea electromagnetică și forța nucleară slabă sunt două manifestări ale unei singure interacțiuni, interacțiunea electrolabă , a cărei simetrie se manifestă la energii mari, dar este ruptă la energie scăzută de către mecanism. De Higgs . În acest fel, atât fenomenele electromagnetice, cum ar fi lumina și dezintegrarea nucleară, pot fi explicate prin acțiunea unei singure forțe.

În stadiul actual al cercetării, teoria care descrie cel mai bine fizica particulelor este cunoscută sub denumirea de Model standard , care descrie în mod unic interacțiunea nucleară puternică și interacțiunea electro-slabă, chiar dacă unificarea interacțiunii puternice nu este încă completă. Modelul standard a obținut numeroase teste experimentale, de asemenea, datorită muncii acceleratorilor de particule , cum ar fi LHC sau tevatron . Noile experimente ar trebui să permită completarea golurilor din modelul standard.

Unul dintre marile obiective ale fizicii teoretice contemporane este de a oferi o descriere a interacțiunii gravitaționale valabile la energii mari și la distanțe mici, adică unificarea relativității generale cu mecanica cuantică . Dacă această unificare ar avea succes, ar fi posibil să se cunoască mai detaliat, de exemplu, fizica găurilor negre și chiar primele momente ale vieții universului după Big Bang . Conform teoriilor moderne de unificare, cum ar fi teoria șirurilor , la energii ridicate (și, prin urmare, la temperaturi ridicate), cele patru forțe fundamentale fuzionează într-una singură.

Notă

^ Roger Penrose, Drumul către realitate. Legile și fundamentele universului , Milano, BUR, 2015, p. 440.
^ David Oldroyd, History of the Philosophy of Science. De la Platon la Popper și nu numai , Milano, Net, 2002, p. 373.
^ Roger Penrose, Drumul către realitate. Legile și fundamentele universului , Milano, BUR, 2015, p. 441.
^ Roger Penrose, Drumul către realitate. Legile și fundamentele universului , Milano, BUR, 2015, pp. 441-442.

Bibliografie

Feynman, Richard P. (1967). Caracterul legii fizice . Apăsați MIT. ISBN 0-262-56003-8
Weinberg, S. (1993). Primele trei minute: o vedere modernă asupra originii universului . Cărți de bază. ISBN 0-465-02437-8
Weinberg, S. (1994). Visele unei teorii finale . Cărți Vintage SUA. ISBN 0-679-74408-8
Padmanabhan, T. (1998). După primele trei minute: povestea universului nostru . Cambridge University Press. ISBN 0-521-62972-1
Perkins, Donald H. (2000). Introducere în fizica energiei înalte . Cambridge University Press. ISBN 0-521-62196-8

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre interacțiunea fundamentală

linkuri externe

Știință pentru toți

Controlul autorității	GND ( DE ) 4064937-4

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[1] Roger Penrose, Drumul către realitate. Legile și fundamentele universului , Milano, BUR, 2015, p. 440.

[2] David Oldroyd, History of the Philosophy of Science. De la Platon la Popper și nu numai , Milano, Net, 2002, p. 373.

[3] Roger Penrose, Drumul către realitate. Legile și fundamentele universului , Milano, BUR, 2015, p. 441.

[4] Roger Penrose, Drumul către realitate. Legile și fundamentele universului , Milano, BUR, 2015, pp. 441-442.

[1]

[2]

[3]

[4]