거리를 걷거나 우주로 로켓을 발사하고 냉장고에 자석을 꽂는 것까지 육체적 인 힘이 우리 주변에 작용하고 있습니다. 그러나 우리가 매일 경험하는 모든 힘 (그리고 우리가 매일 경험하는 것을 깨닫지 못하는 많은 힘)은 단지 네 가지 기본 힘으로 제한 될 수 있습니다.
- 중량.
- 약한 힘.
- 전자기.
- 강한 힘.
이것을 자연의 네 가지 기본 힘이라고하며, 우주에서 일어나는 모든 것을 지배합니다.
중량
중력은 다리에서 바위를 떨어 뜨리거나 별을 공전하는 행성 또는 해조를 일으키는 달에서 바위를 떨어 뜨릴 때 질량 또는 에너지를 갖는 두 물체 사이의 매력입니다. 중력은 아마도 기본 힘에 대해 가장 직관적이고 친숙 할 수도 있지만 설명하기가 가장 어려웠습니다.
아이작 뉴턴은 나무에서 떨어지는 사과에서 영감을 얻은 중력에 대한 아이디어를 최초로 제안한 사람입니다. 그는 중력을 두 물체 사이의 문자적인 매력으로 묘사했다. 수세기 후, Albert Einstein은 일반 상대성 이론을 통해 중력이 인력이나 힘이 아니라고 제안했습니다. 대신, 물체가 시공간을 굽히는 결과입니다. 큰 물체는 시트의 중앙에 놓인 큰 공이 재료에 영향을 미쳐서 재료를 변형시키고 시트의 다른 작은 물체가 중간을 향해 떨어지는 것처럼 공간 시간에 약간 작용합니다.
중력은 행성, 별, 태양계, 심지어 은하까지 함께 보유하고 있지만, 특히 분자 및 원자 규모에서 기본 힘 중 가장 약한 것으로 밝혀졌습니다. 이런 식으로 생각하십시오 : 공을 땅에서 들어 올리는 것이 얼마나 어렵습니까? 아니면 발을 들기 위해? 아니면 뛰어? 이러한 모든 행동은 지구 전체의 중력에 대항합니다. 분자 및 원자 수준에서 중력은 다른 기본 힘에 비해 거의 영향을 미치지 않습니다.
약한 힘
약한 핵 상호 작용이라고도하는 약한 힘은 입자의 붕괴를 담당합니다. 이것은 한 종류의 아 원자 입자가 다른 형태로 바뀌는 것입니다. 예를 들어, 중성자 가까이에서 길을 잃은 중성미자는 중성자를 양성자로 만들면서 중성미자는 전자가 될 수 있습니다.
물리학자는 bosons라고 불리는 힘 전달 입자의 교환을 통해 이러한 상호 작용을 설명합니다. 특정 종류의 보손은 약한 힘, 전자기력 및 강한 힘을 담당합니다. 약한 힘에서, 보손은 W 및 Z 보손이라고 불리는 하전 입자입니다. 양성자, 중성자 및 전자와 같은 아 원자 입자가 서로 10 ^ -18 미터 또는 양자 직경의 0.1 % 내에있을 때 이들은 이들 보손을 교환 할 수 있습니다. 결과적으로 Georgia State University의 HyperPhysics 웹 사이트에 따르면 아 원자 입자는 새로운 입자로 붕괴됩니다.
약한 힘은 태양에 전력을 공급하고 대부분의 생명체에 필요한 에너지를 지구에서 생성하는 핵융합 반응에 중요합니다. 또한 고고학자들이 탄소 14를 사용하여 고대 뼈, 나무 및 기타 이전에 살았던 유물과 데이트 할 수 있습니다. 탄소 -14에는 6 개의 양성자와 8 개의 중성자가 있습니다. 이 중성자 중 하나가 양성자로 붕괴되어 7 개의 양성자와 7 개의 중성자가있는 질소 -14를 만듭니다. 이 붕괴는 예측 가능한 속도로 발생하여 과학자들은 그러한 유물이 얼마나 오래된지를 결정할 수 있습니다.
전자기력
Lorentz 힘이라고도하는 전자기력은 음으로 하전 된 전자와 양으로 하전 된 양성자와 같은 하전 입자 사이에서 작용합니다. 반대의 혐의는 서로를 유인하는 반면, 혐의는 격퇴하는 것처럼. 전하가 클수록 힘이 커집니다. 그리고 중력과 마찬가지로,이 힘은 무한한 거리에서 느껴질 수 있습니다 (힘은 그 거리에서 매우 작지만).
이름에서 알 수 있듯이 전자기력은 전기력과 자기력의 두 부분으로 구성됩니다. 처음에 물리학 자들은이 힘을 서로 분리 된 것으로 묘사했지만, 나중에 연구원들은이 힘이 같은 힘의 구성 요소라는 것을 깨달았습니다.
전기 구성 요소는 하전 된 입자가 움직이든 고정되어 있든 하전 된 입자 사이에서 작용하여 전하가 서로 영향을 줄 수있는 장을 만듭니다. 그러나 일단 움직이면, 하전 된 입자는 두 번째 성분 인 자기력을 나타 내기 시작합니다. 입자는 움직일 때 주위에 자기장을 만듭니다. 예를 들어 전자가 전선을 통해 확대되어 컴퓨터 나 전화를 충전하거나 TV를 켜면 전선이 자성이됩니다.
전자기력은 광자의 입자 성분 인 광자라고하는 질량이없는 힘을 전달하는 보손의 교환을 통해 하전 입자 사이에 전달됩니다. 그러나 하전 된 입자들 사이에서 교환되는 힘을 운반하는 광자들은 다른 광자들의 발현이다. 녹스빌 대학교 테네시 대학에 따르면 기술적으로 실제적이고 감지 가능한 버전과 동일한 입자이지만 가상이고 감지 할 수 없습니다.
전자기력은 가장 일반적으로 경험되는 현상 중 하나입니다. 마찰, 탄성, 수직력 및 주어진 형태로 고체를 유지하는 힘. 조류, 비행기, 심지어 수퍼맨이 비행하는 동안 경험하는 드래그에도 책임이 있습니다. 이러한 작용은 하전 된 (또는 중화 된) 입자가 서로 상호 작용하기 때문에 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 책을지면으로 끌어 당기는 중력 대신 테이블 위에 책을 유지하는 수직력은 테이블 원자의 전자가 책의 원자에서 전자를 반발하는 결과입니다.
강한 원자력
강력한 핵 상호 작용이라고도하는 강력한 핵력은 자연의 네 가지 기본 힘 중 가장 강합니다. HyperPhysics 웹 사이트에 따르면 중력보다 6 천조 조 (6 조 이후 39의 0!) 배나 더 강합니다. 그것은 물질의 기본 입자를 결합하여 더 큰 입자를 형성하기 때문입니다. 그것은 양성자와 중성자를 구성하는 쿼크를 함께 유지하고, 강한 힘의 일부는 원자핵의 양성자와 중성자를 함께 유지합니다.
약한 힘과 마찬가지로 강한 힘은 아 원자 입자가 서로 매우 가까이있을 때만 작동합니다. HyperPhysics 웹 사이트에 따르면 서로 10 ^ -15 미터 이내, 또는 대략 양자의 지름 내에 있어야합니다.
그러나 다른 기본 힘과는 달리 아 원자 입자가 서로 가까워 질수록 힘이 약해집니다. Fermilab에 따르면, 입자가 서로 가장 멀리 떨어져있을 때 실제로 최대 강도에 도달합니다. 일단 범위 내에 들어가면, 글루온이라고 불리는 질량이없는 하전 된 보손은 쿼크 사이에 강한 힘을 전달하고 함께 "접착"됩니다. 잔류 강한 힘이라고하는 강한 힘의 작은 부분은 양성자와 중성자 사이에 작용합니다. 핵의 양성자는 비슷한 전하로 인해 서로를 격퇴하지만 잔류 강한 힘은이 반발을 극복 할 수 있으므로 입자는 원자의 핵에 결합되어 있습니다.
자연을 통일
네 가지 기본 세력의 두드러진 문제는 그들이 실제로 하나의 큰 우주 세력의 징후인지 여부입니다. 그렇다면, 그들 각각은 다른 사람들과 합쳐질 수 있어야하고, 그들이 할 수 있다는 증거가 이미 있습니다.
임페리얼 칼리지 런던 (Imperial College London)의 Abdus Salam과 함께 하버드 대학교 (Harvard University)의 물리학 자 쉘던 글 래쇼 (Sheldon Glashow)와 스티븐 와인버그 (Steven Weinberg)는 1979 년 노벨 물리학 (Nobel Physics)에서 약한 힘으로 전자력을 통합하여 전기 약력 개념을 형성 한 공로로 선정되었습니다. 소위 웅대 한 통합 이론을 찾기 위해 노력하는 물리학 자들은 전기 약력을 강한 힘과 결합시켜 전자 핵력을 정의하는 것을 목표로한다. 퍼즐의 마지막 조각은 전체 우주를 설명 할 수있는 이론적 틀인 소위 모든 이론을 개발하기 위해 전자 핵력과 중력을 통합해야합니다.
그러나 물리학 자들은 미시적 세계와 거시적 세계를 병합하는 것이 매우 어렵다는 것을 발견했습니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 중대하고 특히 천문학적 규모에서 중력이 지배적이며 가장 잘 설명됩니다. 그러나 분자, 원자 또는 아 원자 규모에서 양자 역학은 자연계를 가장 잘 묘사합니다. 그리고 지금까지 아무도 그 두 세계를 합병시키는 좋은 방법을 찾지 못했습니다.
양자 중력을 연구하는 물리학 자들은 양자 세계의 관점에서 힘을 묘사하는 것을 목표로하며, 이는 병합에 도움이 될 수 있습니다. 이 접근법의 기본은 중력의 이론적 인 힘 전달 보손 인 중력의 발견이다. 중력은 물리학 자들이 힘을 전달하는 입자를 사용하지 않고 현재 설명 할 수있는 유일한 기본 힘입니다. 그러나 다른 모든 기본 힘에 대한 설명에는 힘을 전달하는 입자가 필요하기 때문에 과학자들은 중력이 아 원자 수준으로 존재해야한다고 기대합니다. 연구원들은 아직이 입자를 찾지 못했습니다.
이야기를 더욱 복잡하게 만드는 것은 우주의 약 95 %를 구성하는 보이지 않는 암흑 물질과 암흑 에너지의 영역입니다. 암흑 물질과 에너지가 단일 입자 또는 자체 힘과 메신저 보손을 갖는 전체 입자 세트로 구성되어 있는지 확실하지 않습니다.
현재 관심이있는 주요 메신저 입자는 이론적으로 어두운 광자이며, 이것은 보이는 우주와 보이지 않는 우주 사이의 상호 작용을 중재합니다. 어두운 광자가 존재하면, 보이지 않는 암흑 물질의 세계를 감지하는 열쇠가되며 다섯 번째 기본 힘을 발견 할 수 있습니다. 그러나 지금까지 어두운 광자가 존재한다는 증거는 없으며 일부 연구에서는 이러한 입자가 존재하지 않는다는 강력한 증거를 제시했습니다.
