Materia i cztery podstawowe siły fizyczne

Materia zbudowana jest z kwarków i leptonów z których powstają, w wyniku czterech podstawowych oddziaływań, protony, elektrony a dalej atomy, cząsteczki i wszystko co istnieje.

W naszym Kosmosie występują cztery podstawowe oddziaływania między elementami materii, które możemy zbadać za pośrednictwem elementów je przenoszących - zwanych bozonami.

Elementary particle interactions (polish version) pl.
Licencja Domena publiczna na podstawie Wikimedia Commons.

Oddziaływanie silne - przenoszone przez gluony

Utrzymuje jądro atomowe w całości, przeciwko oddziaływaniu elektromagnetycznemu odpychającemu protony od siebie. Utrzymuje też kształt jądra, ponieważ bardzo silnie odpycha protonamy/neutronamy jeśli zbliżą się poniżej pewnej granicznej wartości.

W najprostszym opisie, gluony związane są z neutronami w jądrze - najwyraźniej koniecznymi do utrzymania go w całości. Dokładniejsze badania dowiodły jednak, że oddziaływanie to powoduje zlepianie kwarków w hadrony (np. protony i neutrony) a ze względu na swój zasięg, "skleja" (ang. glue -> gluon) także protony z neutronami.

Jest pewna odległość poza którą siła ta bardzo szybko maleje i nie jest w stanie utrzymać jądra w całości. Wywołanie rozpadu jądra atomowego uwalnia energię związaną z tym oddziaływaniem. Poznanie tego mechanizmu pozwoliło skonstruować bombę atomową.

Oddziaływanie elektromagnetyczne - przenoszone przez fotony

Cząstki posiadające ładunek elektryczny wchodzą ze sobą w interakcję, nazywaną emisją fotonu. Foton jest cząsteczką o zerowej masie, jednak jego energia nie jest stała (a związana jest z częstotliwością fali elektromagnetycznej). Fotony powszechnie znane są jako "światło", jednak w ogólności odpowiadają też np. za magnetyzm, promieniowanie gamma, promienie Roentgena, ultrafiolet, podczerwień, fale radiowe itp.

Fotony mają zerową masę a więc poruszają się (w próżni!) z prędkością światła - czyli masło maślane. Prędkość światła to tak na prawdę prędkość ruchu cząstek o zerowej masie w próżni.
Fotony nie mają żadnego limitu zasięgu.

Elektrony są przyciągane w kierunku jądra atomowego, ponieważ jądro ma ładunek dodatni a elektrony ujemny. Im dalej przeciętnie elektron znajduje się od jądra, tym większą ma energię. Zbliżenie się elektronu do jądra zmniejsza jego energię, co jest związane z emisją fotonu. Zbliżenie to może nastąpić z różnych powodów, np. w wyniku reakcji chemicznych czy elektromagnetycznych.

Wszystkie gorące przedmioty (które stygną, zmniejszając swoją energię) emitują fotony (np. rozgrzane żelazo ma jasny kolor i jest .. ciepłe (tak, ciepło to też fotony)).
Gwiazdy świecą ponieważ synteza jądrowa jest związana ze spadkiem potencjału elektrycznego (przy połączeniu cząstek).

Możliwe jest też pochłanianie fotonów przez materię - polegające na zwiększaniu energii cząsteczek. Często obserwujemy to jako np. nagrzewanie materiału na słońcu.
Fotosynteza to magazynowania energii Słońca w cukrach (uwalnianej potem poprzez rozkład cukrów w komórkach w wyniku procesów metabolicznych).

Oddziaływanie słabe

Niektóre cząsteczki materii posiadają nieobojętny ładunek słaby. Nie chodzi tu o jego siłę, lecz znów o mierzalną cechę cząstki różną od innych jej cech jak masa czy kolor.
Ładunek ten jest powodem interakcji analogicznych do elektromagnetyzmu, jednak za pośrednictwem innych bozonów niż foton.
Oddziaływanie to jest tak słabe i ma tak mały zasięg, że znamy je jedynie przez jego efekt: promieniowania Beta (zamianą neutronu w proton lub odwrotnie). Promieniowanie Beta z łatwością zatrzymuje kartka papieru lub ubranie.

Grawitacja - bozon Higgsa/grawiton

Grawitacja związana jest z oddziaływaniem na siebie materii posiadającej masę. Odległość na którą działa ta siła jest nieskończona, jednak sama siła maleje wraz z kwadratem odległości.
Nie rozumiemy zbyt dobrze na czym polega ta siła ani jak powiązać model cząstek elementarnych (grawiton) z teorią grawitacji Einsteina (ogólną teorią względności).

Grawitacja jest siłą która utrzymuje Księżyc blisko Ziemi, Ziemię na orbicie wokół Słońca a galaktyki w całości. Przez czarną dziurę rozumie się taki obiekt w Kosmosie, który w swoim centrum posiada nieskończoną grawitację.

Grawitacja nadaje masie cechę znaną nam jako waga. Gdy ważymy przedmiot na Ziemi, wskazanie jest inne niż na Marsie. Stan nieważkości to po prostu brak odczuwalnej grawitacji.

Gwiazdy świecą dzięki temu, że ich masa ściskana jest ku środku siłą grawitacji - to ciśnienie umożliwia zachodzenie syntezy jądrowej i emisję fotonów, które z kolei daje energię planetom.
Umierające gwiazdy są ściskane przez grawitację aż w końcu następuje wybuch Supernowej - kuźnię i źródło zróżnicowanych pierwiastków Kosmosie.

Grawitacja odpowiedzialna jest za ruch i różnorodność w Kosmosie - kształtuje gwiazdy z chmur cząsteczek, przyciąga do siebie galaktyki, utrzymuje w całości układy planetarne.
Wydaje się, że dokładne zrozumienie grawitacji spowoduje dramatyczną zmianę w naszym postrzeganiu świata.

Ale na razie nic prawie o niej nie wiemy.

Dla mnie najciekawsze na chwilę obecną jest powiązanie grawitacji z upływem czasu, co w dramatyczny sposób pokazano w genialnym filmie Interstellar.

---

Przedstawiłem powyżej w ogromnym uproszczeniu Model Standardowy (link do Wikipedii). Ponieważ sam nie jestem fizykiem, mogłem tu popełnić błędy - jeśli je widzisz, napisz komentarz.