4.8 Ítarefni: Inngangur að grunnkröftunum fjórum

Ítarefni: Inngangur að grunnkröftunum fjórum

NÁMSMARKMIÐ

Í lok þessa kafla muntu geta:

Skilið grunnkraftana fjóra sem liggja að baki ferlum í náttúrunni.

Ein af merkilegustu einföldunum í eðlisfræði er sú að aðeins fjórir aðskildir kraftar geta skýrt öll þekkt fyrirbæri. Reyndar stafa næstum allir kraftar sem við upplifum beint af aðeins einum grunnkrafti, sem kallast rafsegulkraftur. (Þyngdarkrafturinn er eini krafturinn sem við upplifum beint sem er ekki rafsegulkraftur.) Þetta er gríðarleg einföldun á óteljandi svo virðist sem ólíkum kröftum sem við getum talið upp, en aðeins fáir þeirra voru ræddir í fyrri kafla. Eins og við munum sjá er talið að allir grunnkraftar verki með miðlun smásærra burðareinda og eiginleikar grunnkraftanna ráðast af gerð þeirra einda sem miðlað er. Fjarverkun, eins og þyngdarkraftur jarðar á tunglið, er útskýrð með tilvist kraftsviðs (e. force field) frekar en með „líkamlegri snertingu“.

Grunnkraftarnir fjórir eru þyngdarkraftur, rafsegulkraftur, veiki kjarnakrafturinn og sterki kjarnakrafturinn. Eiginleikar þeirra eru teknir saman í Tafla 4.1. Þar sem veiki og sterki kjarnakrafturinn verka á mjög stuttu færi, á stærð við kjarna eða minna, upplifum við þá ekki beint, þótt þeir séu nauðsynlegir fyrir sjálfa byggingu efnis. Þessir kraftar ákvarða hvaða kjarnar eru stöðugir og hverjir hrörna og þeir eru grundvöllur orkulosunar í ákveðnum kjarnahvörfum. Kjarnakraftar ákvarða ekki aðeins stöðugleika kjarna, heldur einnig hlutfallslegt magn frumefna í náttúrunni. Eiginleikar kjarna atóms ákvarða fjölda rafeinda sem það hefur og þar með, óbeint, efnafræði atómsins. Nánar verður fjallað um öll þessi efni í síðari köflum.

Tafla 4.1
Kraftur	Áætlaður hlutfallslegur styrkur	Drægni	Aðdráttur/fráhrinding	Burðareind
Þyngdarkraftur	${{{\text{10}}^{{{− \text{38}}}}}}$	${{∞}}$	aðeins aðdráttur	Þyngdareind
Rafsegulkraftur	${{{\text{10}}^{{{– 2}}}}}$	${{∞}}$	aðdráttur og fráhrinding	Ljóseind
Veiki kjarnakrafturinn	${{{\text{10}}^{{{– \text{6}}}}}}$	< ${10}^{–18} \text{m}$	aðdráttur og fráhrinding	${{{\text{W}}^{{{+}}}}}$ , ${{{\text{W}}^{{{–}}}}}$ , ${{{\text{Z}}^{{0}}}}$
Sterki kjarnakrafturinn	${{1}}$	∞	aðdráttur og fráhrinding	límeindir

Þyngdarkrafturinn er furðu veikur – það er aðeins vegna þess að þyngdarkrafturinn er alltaf aðdráttarkraftur sem við tökum eftir honum. Þyngd okkar er þyngdarkrafturinn sem öll jörðin beitir á okkur. Á mjög stórum skala, eins og í stjarnfræðilegum kerfum, er þyngdarkrafturinn ríkjandi kraftur sem ákvarðar hreyfingar tungla, reikistjarna, stjarna og vetrarbrauta. Þyngdarkrafturinn hefur einnig áhrif á eðli rúms og tíma. Eins og við munum sjá síðar í námi okkar um almennu afstæðiskenninguna er rúmið bogið í nágrenni við mjög massamikla hnetti, eins og sólina, og tíminn hægir í raun á sér nálægt massamiklum hnöttum.

Rafsegulkraftar geta verið annaðhvort aðdráttar- eða fráhrindikraftar. Þeir eru langdrægir kraftar sem verka yfir gríðarlega miklar vegalengdir og þeir núllast næstum út fyrir stórsæja hluti. (Mundu að það er heildar ytri krafturinn sem skiptir máli.) Ef þeir núlluðust ekki út myndu rafsegulkraftar algjörlega yfirgnæfa þyngdarkraftinn. Rafsegulkrafturinn er sambland af rafkröftum (eins og þeim sem valda stöðurafmagni) og segulkröftum (eins og þeim sem hafa áhrif á áttavitanál). Þessir tveir kraftar voru taldir vera mjög ólíkir þar til snemma á 19. öld, þegar vísindamenn fóru að uppgötva að þeir eru mismunandi birtingarmyndir sama kraftsins. Þessi uppgötvun er klassískt dæmi um sameiningu krafta. Á svipaðan hátt stafa núningur, spenna og allir aðrir flokkar krafta sem við upplifum beint (að undanskildum þyngdarkrafti, auðvitað) af rafsegulvíxlverkunum atóma og sameinda. Það er samt sem áður hentugt að líta á þessa krafta sérstaklega í ákveðnum tilvikum vegna þess hvernig þeir birtast.

Eðlisfræðingar kanna nú hvort grunnkraftarnir fjórir séu á einhvern hátt skyldir. Tilraunir til að sameina alla krafta í einn falla undir flokkinn samræmdar heildarkenningar (GUTs), en nokkur árangur hefur náðst í þeim efnum á undanförnum árum. Nú er vitað að við aðstæður þar sem þéttleiki og hiti eru gríðarlega mikil, eins og í árdaga alheimsins, er enginn greinanlegur munur á rafsegulkraftinum og veika kjarnakraftinum. Nú er hægt að líta á þá sem mismunandi birtingarmyndir eins krafts, sem kallast rafveiki krafturinn. Þannig hefur listinn yfir fjóra krafta í raun styst niður í aðeins þrjá. Frekari framfarir í sameiningu allra krafta reynast erfiðar – sérstaklega að fella inn þyngdarkraftinn, sem hefur þá sérstöku eiginleika að hafa áhrif á rúm og tíma þar sem hinir kraftarnir verka.

Þótt sameining kraftanna hafi ekki áhrif á hvernig við fjöllum um krafta í þessum texta, er heillandi að slíkur undirliggjandi einfaldleiki skuli vera til staðar í ljósi augljósrar flækju alheimsins. Það er engin ástæða fyrir því að náttúran þurfi að vera einföld – hún er það einfaldlega.

Verkun í fjarlægð: Hugmyndin um svið

Allir kraftar verka í fjarlægð. Þetta er augljóst þegar um þyngdarkraftinn er að ræða. Jörðin og tunglið, til dæmis, hafa víxlverkun án þess að komast í snertingu. Þetta á einnig við um alla aðra krafta. Núningur, til dæmis, er rafsegulkraftur milli atóma sem snertast ef til vill ekki í raun. Hvað er það sem ber krafta milli hluta? Ein leið til að svara þessari spurningu er að ímynda sér að kraftsvið (e. force field) umlyki hlutinn sem skapar kraftinn. Annar hlutur (oft kallaður prófunarhlutur) sem komið er fyrir á þessu sviði mun verða fyrir krafti sem er fall af staðsetningu og öðrum breytum. Sviðið sjálft er „hluturinn“ sem ber kraftinn frá einum hlut til annars. Sviðið er skilgreint þannig að það sé einkenni hlutarins sem skapar það; sviðið er óháð prófunarhlutnum sem komið er fyrir í því. Þyngdarsvið jarðar, til dæmis, er fall af massa jarðar og fjarlægð frá miðju hennar, óháð tilvist annarra massa. Hugmyndin um svið er gagnleg vegna þess að hægt er að skrifa jöfnur fyrir kraftsvið í kringum hluti (fyrir þyngdarafl gefur þetta ${{{w={\text{mg}}}}}$ við yfirborð jarðar) og hægt er að reikna hreyfingar út frá þessum jöfnum. (Sjá Mynd 4.45.)

The electric force field between a positively charged particle and a negatively charged particle. Electric field lines start from the positive charge and end at the negative charge, and each line is represented as a curved arrow. — Mynd 4.45 Rafkraftsviðið milli jákvætt hlaðinnar agnar og neikvætt hlaðinnar agnar. Þegar jákvæð prófunarhleðsla er sett á sviðið mun hleðslan verða fyrir krafti í stefnu kraftsviðslínanna.

Hugmyndin um svið hefur verið notuð með mjög góðum árangri; við getum reiknað hreyfingar og lýst náttúrunni með mikilli nákvæmni með sviðsjafna. En þrátt fyrir að hugmyndin um svið sé gagnleg, skilur hún eftir ósvaraðri spurningunni um hvað beri kraftinn. Á síðustu áratugum hefur verið lagt til, frá og með árið 1935 með verkum Hideki Yukawa (1907–1981) um sterka kjarnakraftinn, að allir kraftar berist með skiptum á öreindum. Við getum ímyndað okkur agnaskipti sem hliðstæðu við fyrirbæri á stórsæu stigi, eins og þegar tveir einstaklingar kasta körfubolta á milli sín og beita þannig fráhrindikrafti án þess að snertast. (Sjá Mynd 4.46.)

(a) Two persons throwing a basketball to each other. The person on the left is throwing the ball with some force F sub p one, represented by a vector pointing right, in the direction of the motion of the ball. A reaction force F sub B is shown on the person by a vector pointing left. (b) The person catches the ball, exerting a force F sub p two on the ball toward the left, shown by a vector F sub p two toward the left. A reaction force F prime sub B acts on the person, shown by a vector pointing toward right. (c) The exchange of a meson is shown between a proton and a neutron. Both are moving in different directions, and the proton feels a force F sub exch toward the left and the neutron feels a force F prime sub exch toward the right. The meson is also moving toward the right between the proton and the neutron. — Mynd 4.46 Skipti á massa sem leiða til fráhrindikrafta. (a) Sá sem kastar körfuboltanum beitir kraftinum ${{{\text{F}}_{{\text{p1}}}}}$ á hann í átt að hinum aðilanum og finnur fyrir andkraftinum ${{{\text{F}}_{{\text{B}}}}}$ frá hinum aðilanum. (b) Sá sem grípur körfuboltann beitir kraftinum ${{{\text{F}}_{{\text{p2}}}}}$ á hann til að stöðva boltann og finnur fyrir andkraftinum ${{{{\text{F′}}_{{\text{B}}}}}}$ frá fyrri aðilanum. (c) Hliðstæð skipti á miðeind milli róteindar og nifteindar bera sterku kjarnakraftana ${{{\text{F}}_{{\text{exch}}}}}$ og ${{\text{F′}}_{{\text{exch}}}}$ á milli þeirra. Einnig er hægt að beita aðdráttarkrafti með skiptum á massa – ef aðili 2 togaði körfuboltann frá fyrri aðilanum þegar hann reyndi að halda honum, þá væri krafturinn á milli þeirra aðdráttarkraftur.

Þessi hugmynd um agnaskipti dýpkar fremur en að stangast á við hugmyndir um svið. Það er heimspekilega meira fullnægjandi að hugsa sér að eitthvað efnislegt hreyfist í raun milli hluta sem verka í fjarlægð. Tafla 4.1 telur upp skipti- eða miðlunaragnir (e. carrier particles), bæði þær sem hafa sést og þær sem lagðar hafa verið til, sem bera kraftana fjóra. En raunverulegur ávinningur tillögunnar um agnaskipti er sá að í leit að eindinni sem Yukawa lagði til fannst hún og fjöldi annarra sem voru algjörlega óvæntar, sem örvaði enn frekari rannsóknir. Allar þessar rannsóknir leiddu að lokum til tillögunnar um kvarka sem undirliggjandi undirbyggingu efnis, sem er grundvallarkenning í samræmdum heildarkenningum (GUTs). Ef þessar kenningar reynast réttar munu þær ekki aðeins útskýra krafta, heldur einnig byggingu efnisins sjálfs. Samt sem áður er eðlisfræði tilraunavísindi, þannig að prófun þessara kenninga verður að eiga sér stað í raunveruleikanum. Þegar þetta er skrifað eru vísindamenn við CERN-rannsóknarstofnunina í Sviss að hefja prófanir á þessum kenningum með stærsta öreindahraðli heims: Stóra róteindahraðlinum (Large Hadron Collider). Þessi hraðall (27 km að ummáli) gerir tveimur háorku róteindageislum, sem ferðast í gagnstæðar áttir, kleift að rekast saman. Orka upp á 14 billjónir rafeindavolta verður tiltæk. Gert er ráð fyrir að einhverjar nýjar agnir, hugsanlega miðlunaragnir, finnist. (Sjá Mynd 4.47.) Ein af þeim miðlunarögnum sem vekur mikinn áhuga og vísindamenn vonast til að greina er Higgs-bóseindin. Athugun á eiginleikum hennar gæti sagt okkur hvers vegna mismunandi agnir hafa mismunandi massa.

A close-up view of part of the world’s largest particle accelerator. — Mynd 4.47 Stærsti eindahraðall heims spannar landamæri Sviss og Frakklands. Tveir geislar, sem ferðast í gagnstæðar áttir nálægt ljóshraða, rekast saman í rás svipaðri miðrásinni sem sýnd er hér. Ytri seglar stýra ferli geislans. Sérstakir nemar munu greina eindir sem verða til í þessum árekstrum. Spurningum jafn víðtækum og hver er uppruni massa og hvernig var efni á fyrstu sekúndum alheimsins okkar verður reynt að svara. Þessi hraðall hóf forprófanir árið 2008. (heimild: Frank Hommes)

Örsmáar eindir hafa einnig bylgjueðli, sem við munum kanna nánar í síðari kafla. Til að skilja kraftmiðlandi eindir betur frá öðru sjónarhorni skulum við skoða þyngdaraflið. Leitin að þyngdarbylgjum hefur staðið yfir í mörg ár. Fyrir meira en 100 árum spáði Einstein fyrir um tilvist þessara bylgja sem hluta af almennu afstæðiskenningu sinni. Þyngdarbylgjur verða til við árekstur massamikilla stjarna, í svartholum eða í sprengistjörnusprengingum – líkt og höggbylgjur. Þessar þyngdarbylgjur ferðast um geiminn frá slíkum stöðum, svipað og gárur breiðast út þegar steini er varpað í tjörn – nema hvað þessar bylgjur ferðast á ljóshraða. Nemabúnaður hefur verið byggður í Bandaríkjunum, sem samanstendur af tveimur stórum mannvirkjum með næstum 3000 km millibili – annað í Washington-fylki og hitt í Louisiana! Aðstaðan er kölluð Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Hvert mannvirki er hannað til að nota leysigeisla til að kanna hvers kyns smávægilega tilfærslu á afstæðri stöðu tveggja massa vegna áhrifa þyngdarbylgja. Staðsetningarnar tvær gera kleift að aðgreina samtímamælingar á þessum litlu áhrifum frá öðrum náttúrufyrirbærum, svo sem jarðskjálftum. Fyrstu prófanir nemanna hófust árið 2002 og unnið er að því að auka næmni þeirra. Svipuð mannvirki hafa verið byggð á Ítalíu (VIRGO), í Þýskalandi (GEO600) og Japan (TAMA300) til að mynda alþjóðlegt net þyngdarbylgjunema.

Í september 2015 stóð LIGO við loforð sitt og hjálpaði til við að sanna spár Einsteins. Kerfið greindi fyrstu þyngdarbylgjurnar sem komu frá samruna tveggja svarthola – annað 29 sinnum massameira en sólin okkar og hitt 36 sinnum massameira en sólin okkar – sem átti sér stað fyrir 1,3 milljörðum ára. Um þrefaldur massi sólarinnar breyttist í þyngdarbylgjur á sekúndubroti – með hámarksafköstum sem voru um 50 sinnum meiri en alls sýnilega alheimsins. Vegna 7 millisekúndna seinkunar á greiningu komust vísindamenn að því að samruninn átti sér stað á suðurhveli jarðar. Síðan þá hafa LIGO og VIRGO í sameiningu greint um tug svipaðra atburða, með betri og nákvæmari mælingum. Bylgjur frá samruna nifteindastjarna og svarthola af mismunandi stærð hafa dýpkað skilning okkar á þessum fyrirbærum og áhrifum þeirra á alheiminn.

Alþjóðlegt samstarf á þessu sviði er að færast út í geiminn með sameiginlegu verkefni ESB og Bandaríkjanna, LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Jarðskjálftar og annar jarðneskur hávaði verða ekkert vandamál fyrir þessi vöktunargeimför. LISA mun bæta við LIGO með því að skoða mun massameiri svarthol með athugunum á þyngdarbylgjugjöfum sem gefa frá sér mun lengri bylgjulengdir. Þremur gervihnöttum verður komið fyrir í geimnum fyrir ofan jörðina í jafnhliða þríhyrningi (með 5.000.000 km hliðarlengdir) (Mynd 4.48). Kerfið mun mæla afstæða stöðu hvers gervihnattar til að greina þyngdarbylgjur sem fara hjá. Nákvæmni innan við 10% af stærð atóms verður nauðsynleg til að greina nokkrar bylgjur. Líklegt er að þetta verkefni verði sett af stað á fjórða áratug þessarar aldar.

NASA illustration of LISA, showing three spacecrafts positioned in orbits that form a triangular formation. The triangular formation is positioned to the left of the Sun, Earth, and Moon in the diagram. Figure not to scale. — Mynd 4.48 Framtíðartilraunir í geimnum til að mæla þyngdarbylgjur. Hér er sýnd teikning af braut LISA. Hver gervihnöttur LISA mun samanstanda af leysigjafa og massa. Leysarnir munu senda merki til að mæla fjarlægðina milli prófunarmassa hvers gervihnattar. Afstæð hreyfing þessara massa mun veita upplýsingar um þyngdarbylgjur sem fara hjá. (heimild: NASA)

Eins og sjá má hér að ofan eru sumar af byltingarkenndustu framförunum í eðlisfræði gerðar með tiltölulega löngu bili frá fræðilegri spá til tilraunagreiningar. Þetta mynstur heldur áfram vísindalegu ferli frá fyrstu tíð, þar sem fyrri hugsuðir og vísindamenn gerðu uppgötvanir sem leiddu aðeins til fleiri spurninga. Einstein var einstakur á margan hátt, en hann var ekki einstakur í þeim skilningi að síðari vísindamenn, sem byggðu á hans verkum og verkum hvers annars, myndu sanna kenningar hans. Sönnunargögn fyrir svartholum urðu sífellt áþreifanlegri eftir því sem vísindamenn þróuðu nýjar og betri leiðir til að leita að þeim. Sumir af þeim fremstu hafa verið Roger Penrose, sem þróaði ný stærðfræðilíkön tengd svartholum, auk Reinhards Genzel og Andreu Ghez, sem notu-u sjónaukaathuganir óháð hvort öðru til að bera kennsl á svæði í vetrarbrautinni okkar þar sem gríðarlegur óséður þyngdaraflsgjafi (4 milljón sinnum stærri en sólin okkar) togaði í stjörnur. Og skömmu síðar framleiddu samstarfsaðilar í Event Horizon Telescope verkefninu fyrstu raunverulegu myndina af svartholi.

A roughly circular glowing object surrounds a smaller and much darker region. Toward the bottom of the image is a series of several dozen concentric brighter lines. — Mynd 4.49 Þessi uppfærða mynd af risasvartholinu í miðju M87 vetrarbrautarinnar sýnir skautunina sem myndast af öflugu segulsviðinu sem umlykur fyrirbærið. Myndin var búin til af Event Horizon Telescope, sem sameinar gögn frá sjónaukum um allan heim. Verkefnið nær til yfir 200 vísindamanna og framleiddi fyrstu myndina af svartholi árið 2019. (heimild: EHT Collaboration/NASA APOD)