نیروی بنیادی

[SɪʟᴠᴇʀMɪɴᴅ]

نیروهای بنیادی در فیزیک (که گاهی آن‌ها را نیروهای تعاملی نیز می‌نامند) نیروهایی هستند که بوسیلهٔ آن‌ها ساده‌ترین ذرات در جهان با یکدیگر اندرکنش (تعامل) دارند. یک نیرو را زمانی «بنیادی» می‌گوییم که نتوان آن را بوسیلهٔ دیگر نیروها توصیف کرد. چهار نیروی بنیادی شناخته شده عبارتند از: نیروی هسته‌ای ضعیف، نیروی هسته‌ای قوی، نیروی الکترومغناطیسی و گرانش. نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف را به ترتیب با نام‌های نیروی قوی و ضعیف هم می‌شناسند.[۱] احتمالاً به جز گرانش، بقیه این نیروها به وسیله یک سری محاسبات تقریبی که به نظریهٔ اختلال معروف است، قابل توصیفند. با این حال مواردی هم وجود دارد که نظریهٔ اختلال نمی‌تواند به خوبی پدیدهٔ مشاهده شده را توصیف کند. مانند: تک موج.[۲][۳]
در مدل مفهومی نیروهای بنیادی، جرم از فرمیونها تشکیل شده‌است. فرمیون‌ها خود دارای دو ویژگی بار و گردش (اسپین) ۱⁄۲± هستند، (گشتاور زاویه‌ای ذاتی ħ/۲ ± که ħ ثابت کاهش یافته پلانک است) و آن‌ها توسط بوزون‌ها یکدیگر را می‌ربایند یا می‌رانند.

اندرکنش بین هر جفت از فرمیون‌ها بوسیلهٔ نظریهٔ اختلال به شکل زیر مدل می‌شود.

دو فرمیون وارد می‌شوند ← اندرکنش بوسیلهٔ تبادل بوزون صورت می‌گیرد ← دو فرمیون تغییر یافته خارج می‌شوند.

مبادلهٔ بوزون همواره با انرژی همراه است و بین فرمیون‌ها گشتاور ایجاد می‌کند و در نتیجه سرعت و جهت آن‌ها را تغییر می‌دهد. در طول این فرایند احتمال دارد که بین فرمیون‌ها انتقال بار نیز صورت گیرد یا بار آن‌ها تغییر کند (مثلا فرمیون‌ها را از نوعی به نوعی دیگر تبدیل کند). از آنجایی که بوزون‌ها تنها یک واحد گشتاور زاویه‌ای حمل می‌کنند در طول چنین فرایندی جهت گردش فرمیون‌ها (اسپین) از ۱⁄۲+ به ۱⁄۲- (واحد ضریب کاهش‌یافته پلانک) تغییر می‌کند. (یا برعکس)

چون یک اندرکنش باعث ربایش یا رانش فرمیون‌ها می‌شود، به‌جای اندرکنش می‌توان از عبارت عمومی‌تر نیرو استفاده کرد.

مطابق درک امروز چهار نیرو یا اندرکنش بنیادی وجود دارد: گرانشی، الکترومغناطیسی، اندرکنش ضعیف و اندرکنش قوی (نیروی قوی). بزرگی و رفتار این نیروها همان‌طور که در جدول زیر نشان داده شده‌است، به‌طور کلی متفاوت است. فیزیک جدید سعی دارد تا هر پدیدهٔ فیزیکی قابل مشاهده را به وسیلهٔ این نیروهای بنیادی توضیح دهد. بعلاوه کاهش تعداد انواع نیروها به نظر مطلوب‌تر می‌آید. دو مورد از این یکپارچه سازی‌ها مربوط می‌شود به:

ادغام نیروهای الکتریکی و مغناطیسی به الکترومغناطیسی
ادغام نیروهای الکترومغناطیسی و اندرکنش ضعیف به نیروی الکتریکی ضعیف (کهربایی‌ضعیف)

اندازه‌ها (قدرت نسبی) و نیز محدوده‌ها که در جدول زیر نشان داده شده‌اند، تنها در چارچوب یک تئوری پیچیده معنی دارند. البته جدول زیر تنها ویژگی‌های چارچوبی صرفاً مفهومی را بیان می‌کند که خود هنوز در حال مطالعه‌اند)
این نیرو از وزن کره زمین اگر قرار بود روی سطح کره دیگری مانند خودش قرار داشته باشد بیشتر است. همچنین هسته‌های (پروتون‌های) موجود در یکی از ظرف‌های آب هسته‌های (پروتون‌های) دیگری را نیز با همین نیرو می‌رانند؛ اما این نیروهای رانشی توسط نیروی ربایشی موجود بین هسته‌های یک ظرف و الکترون‌های ظرف دیگر و برعکس، بی‌اثر می‌شود؛ بنابراین نیروی خالص صفر خواهد بود. آشکار است که نیروی الکترومغناطیسی بسیار قوی‌تر از گرانش است ولی به دلیل این ویژگی که نیروهای الکترومغناطیسی می‌توانند یکدیگر را خنثی کنند، در اجرام بزرگ تنها اثر نیروی گرانش حاکم است.

پدیده‌های الکتریکی و آهن‌ربایی (مغناطیسی) از زمان باستان شناخته شده بوده‌اند اما در قرن ۱۹ میلادی بود که دانشمندان دریافتند نیروهای الکتریکی و مغناطیسی دو جنبه از یک اندرکنش بنیادی‌اند. در سال ۱۸۶۴ معادلات ماکسول به‌طور دقیق اندازهٔ این اندرکنش متحد را تعیین کرد. تئوری ماکسول نشان داد که تحلیل برداری که مبنای تئوری الکترومغناطیس کلاسیک است برای بیشتر اهداف عمومی به اندازهٔ کافی دقیق است.

سرعت ثابت حرکت نور در فضای خالی (خلاء) که به صورت اختصار با c نمایش داده می‌شود را می‌توان از معادلات ماکسول نتیجه گرفت، که البته این نتیجه‌گیری متناقض با نسبیت خاص نیست. تئوری نسبیت خاص اینشتین در سال ۱۹۰۵ با این فرض پیش می‌رود که سرعت نور بدون توجه به اینکه مشاهده‌گر با چه سرعتی حرکت می‌کند همواره ثابت است. همچنین اینشتین نشان داد که نتایج تئوری بدست آمده از معادلات ماکسول بسیار فراتر از خاصیت‌های الکتریکی و مغناطیسی در همین فضا و زمان است.

اینشتین در کار دیگر خود و بر خلاف الکترومغناطیس کلاسیک، اثر فوتوالکتریک را با این فرض که نور انتشار کوانتومی دارد توضیح داد (فوتون). پل دیراک در سال ۱۹۲۷ میلادی مکانیک کوانتوم را با تئوری نسبیتی الکترومغناطیس ادغام کرد. پس از آن در دههٔ ۱۹۴۰ ریچارد فاینمن، فریمن دایسون، جولیان شوینگر و سین‌ایترو تومونوجا این تئوری را کامل کردند. این تئوری امروز با نام الکترودینامیک کوانتومی شناخته می‌شود (الکترومغناطیس بازبینی‌شده). الکترودینامیک کوانتومی و مکانیک کوانتوم پایهٔ تئوری برخی رفتارهای الکترومغناطیسی مانند تونل‌زنی کوانتومی هستند، به این معنی که درصدی از ذرات باردار الکتریکی در مسیری حرکت می‌کنند که در تئوری الکترومغناطیس کلاسیک غیرممکن است، این رفتار برای عملکرد بعضی از ادوات الکترونیکی مانند ترانزیستورها ضروری است.
اندرکنش ضعیف