23.1 Grundvallarkraftarnir fjórir

23.1 Grundvallarkraftarnir fjórir

Lykilhugtök kaflans

Þrátt fyrir að alheimurinn virðist flókinn eru aðeins til fjórir grunnkraftar. Þessir kraftar bera ábyrgð á öllum víxlverkunum sem vísindin þekkja: allt frá hinu örsmáa til hins gríðarstóra, til þeirra sem við upplifum í daglegu lífi. Þessir kraftar lýsa hreyfingu vetrarbrauta, efnahvörfum á rannsóknarstofum okkar, uppbyggingu innan atómkjarna og orsök geislavirkra sundrana. Þeir lýsa raunverulegri orsök að baki kunnuglegum hugtökum eins og núningi og þverkrafti. Þessir fjórir grunnkraftar eru kallaðir grundvallarkraftar vegna þess að þeir einir bera ábyrgð á öllum athugunum á kröftum í náttúrunni. Grundvallarkraftarnir fjórir eru þyngdarkraftur, rafsegulkraftur, veiki kjarnakrafturinn og sterki kjarnakrafturinn.

Skilningur á kröftunum fjórum

Þyngdarkrafturinn er okkur kunnuglegastur vegna þess að hann lýsir svo mörgum af okkar algengu athugunum. Hann útskýrir hvers vegna bolti sem er sleppt fellur til jarðar og hvers vegna reikistjarnan okkar gengur um sólina. Hann gefur okkur eiginleikann þyngd og ákvarðar margt varðandi hreyfingu hluta í daglegu lífi okkar. Þar sem þyngdarkraftur verkar á milli allra hluta sem hafa massa og hefur getu til að verka yfir miklar fjarlægðir, er hægt að nota þyngdarkraftinn til að útskýra margt af því sem við sjáum og hann getur jafnvel lýst hreyfingu hluta á stjarnfræðilegum kvarða! Þrátt fyrir það er þyngdarkrafturinn ótrúlega veikur miðað við hina grundvallarkraftana og er veikastur allra grundvallarkraftanna. Hugleiddu þetta: Allur massi jarðar þarf til að halda járnnagla við jörðina. Samt sem áður, með einföldum segli, er hægt að yfirvinna þyngdarkraftinn og leyfa naglanum að hraða sér upp á við í gegnum rúmið.

Rafsegulkrafturinn ber ábyrgð á bæði rafstöðuvíxlverkunum og segulkraftinum sem sést á milli stangarsegla. Þegar horft er á rafstöðusambandið milli tveggja hlaðinna einda er rafsegulkrafturinn þekktur sem Coulomb-kraftur. Rafsegulkrafturinn er mikilvægur kraftur í efna- og lífvísindum, þar sem hann ber ábyrgð á sameindatengjum eins og jónatengjum og vetnistengjum. Auk þess liggur rafsegulkrafturinn að baki algengum eðlisfræðikröftum eins og núningi og þverkrafti. Líkt og þyngdarkrafturinn fylgir rafsegulkrafturinn lögmálinu um andhverfu fjarlægðarinnar í öðru veldi. Hins vegar er rafsegulkrafturinn ekki til staðar á milli hvaða tveggja massahluta sem er, heldur aðeins þeirra sem eru hlaðnir.

Þegar bygging atóms er skoðuð er rafsegulkrafturinn nokkuð augljós. Þegar öllu er á botninn hvolft er rafeindunum haldið á sínum stað af aðdráttarkrafti frá kjarnanum. En hvað veldur því að kjarninn helst saman? Þegar öllu er á botninn hvolft, ef allar róteindir eru jákvæðar, er rökrétt að Coulomb-krafturinn milli róteindanna myndi ýta kjarnanum í sundur samstundis. Vísindamenn settu fram þá kenningu að annar kraftur hlyti að vera til staðar innan kjarnans til að halda honum saman. Þeir settu ennfremur fram þá kenningu að þessi kjarnakraftur hlyti að vera verulega sterkari en þyngdarkrafturinn, sem hefur verið rannsakaður og mældur um aldir, og einnig sterkari en rafsegulkrafturinn, sem myndi valda því að róteindirnar vildu hraða sér í burtu hver frá annarri.

Sterki kjarnakrafturinn er aðdráttarkraftur sem er til staðar á milli allra kjarneinda. Þessi kraftur, sem verkar jafnt á milli tenginga róteindar og róteindar, róteindar og nifteindar, og nifteindar og nifteindar, er sterkastur allra krafta á stuttu færi. Hins vegar, í fjarlægðinni 10 –13 cm, eða þvermáli einnar róteindar, hverfur krafturinn. Ef kjarninn er stór (hann hefur margar kjarneindir), þá gæti fjarlægðin milli hverrar kjarneindar verið mun meiri en þvermál einnar róteindar.

Veiki kjarnakrafturinn ber ábyrgð á betasundrun, eins og sést í jöfnunni Z A X N → Z + 1 A Y N – 1 + e + v. Rifjið upp að betasundrun er þegar beta-eind er send út frá atómi. Til þess að hraða sér í burtu frá kjarnanum verður kraftur að verka á eindina. Enrico Fermi var sá fyrsti til að sjá fyrir sér þessa tegund krafts. Þó að þessi kraftur sé réttilega nefndur, er hann samt sterkari en þyngdarkrafturinn. Hins vegar er drægni hans enn minni en sterka kraftsins, eins og sjá má í töflu 23.1. Veiki kjarnakrafturinn er mikilvægari en hann kann að virðast á þessum tímapunkti, eins og komið verður inn á þegar við ræðum kvarka.

Miðlun grundvallarkraftanna fjögurra

Líkt og það olli Einstein heilabrotum áður en hann setti fram þyngdarsviðskenninguna, hafði hugmyndin um krafta sem verka yfir fjarlægð valdið öröröröröröreindafræðingum miklum heilabrotum. Það er að segja, hvernig veit ein róteind af tilvist annarrar? Ennfremur, hvað veldur því að ein róteind hrindir annarri frá sér? Eða, hvað það varðar, hvað er það við róteind sem veldur því að nifteind dregst að henni? Hideki Yukawa velti þessum dularfullu víxlverkunum fyrst fyrir sér árið 1935 og lagði grunninn að miklu af því sem við skiljum nú um öröröröröröreindafræði.

Hideki Yukawa beindi sjónum sínum að sterka kjarnakraftinum og, sérstaklega, ótrúlega stuttu drægi hans. Hugmynd hans var blanda af eindum, afstæðiskenningu og skammtafræði sem átti við um alla fjóra kraftana. Yukawa lagði til að kjarnakraftinum væri í raun miðlað með skiptum á eindum, sem kallast burðareindir, og að það sem við köllum venjulega svið kraftsins samanstæði af þessum burðareindum. Sérstaklega fyrir sterka kjarnakraftinn lagði Yukawa til að áður óþekkt eind, kölluð píeind, gengi á milli kjarneinda og miðlaði kraftinum á milli þeirra. Mynd 23.3 sýnir hvernig píeind myndi bera kraft á milli róteindar og nifteindar.

Í sterka krafti Yukawas er gert ráð fyrir að burðareindin ferðist á ljóshraða og sé stöðugt flutt á milli kjarneindanna tveggja sem sýndar eru. Eindin sem Yukawa sagði fyrir um fannst loks í geimgeislum árið 1947. Nafn hennar, píeind (pion), stendur fyrir pí-mesón, þar sem mesón þýðir miðlungsmassi; hún hefur miðlungsmassa vegna þess að hún er minni en kjarneind en stærri en rafeind. Yukawa hratt af stað fræðigrein sem nú kallast skammta-litfræði, og burðareindirnar eru nú kallaðar límeindir vegna sterks bindimáttar þeirra. Ástæðan fyrir breytingunni á nafni eindarinnar verður útskýrð þegar fjallað verður um kvarka síðar í þessum hluta.

Eins og þú gætir gert ráð fyrir, er sterki krafturinn ekki eini krafturinn með burðareind. Kjarnahrörnun vegna veika kraftsins krefst einnig flutnings á eind. Í veika kraftinum eru eftirfarandi þrjár: veika neikvæða burðareindin, W –; veika jákvæða burðareindin, W +; og hleðslulausa burðareindin, Z⁰. Eins og við munum sjá, ályktaði Fermi að þessar eindir hlytu að bera massa, þar sem heildarmassi myndefna kjarnahrörnunar er örlítið meiri en heildarmassi allra hvarfefna eftir kjarnahrörnun.

Burðareind rafsegulkraftsins er, ekki að óvörum, ljóseindin. Þegar öllu er á botninn hvolft, líkt og ljósapera getur sent frá sér ljóseindir frá hlöðnum wolframþræði, er hægt að nota ljóseindina til að flytja upplýsingar frá einni rafhlaðinni eind til annarrar. Að lokum er þyngdareindin hin fyrirhugaða burðareind þyngdaraflsins. Þótt hún hafi ekki fundist enn, leita vísindamenn nú að sönnunum fyrir tilvist hennar (sjá Boundless Physics: Leitin að þyngdareindinni).

Hvernig miðlar burðareind þá grundvallarkrafti? Mynd 23.4 sýnir sýndarljóseind sem er send frá einni jákvætt hlaðinni eind til annarrar. Hin senda ljóseind er kölluð sýndareind vegna þess að ekki er hægt að sjá hana beint á meðan hún miðlar kraftinum. Mynd 23.5 sýnir leið til að teikna línurit yfir skipti á sýndarljóseind á milli tveggja jákvætt hlaðinna einda. Þetta línurit yfir tíma á móti staðsetningu kallast Feynman-mynd, eftir hinum snjalla bandaríska eðlisfræðingi Richard Feynman (1918–1988), sem þróaði hana.

Lesa ætti Feynman-myndina neðan frá og upp til að sjá hreyfingu einda yfir tíma. Á henni má sjá að vinstri róteindin þeytist til vinstri við útsendingu ljóseindarinnar, á meðan hægri róteindin finnur fyrir höggi til hægri þegar ljóseindin er móttekin. Auk Feynman-myndarinnar var Richard Feynman einn þeirra fræðimanna sem þróuðu svið skammtarafsegulfræðinnar (QED), sem lýsir frekar rafsegulvíxlverkunum á undirsmásæjum kvarða. Fyrir þetta verk deildi hann Nóbelsverðlaununum árið 1965 með Julian Schwinger og S.I. Tomonaga. Feynman-mynd sem útskýrir víxlverkun sterka kraftsins sem Yukawa setti fram tilgátu um má sjá á mynd 23.6. Hér má sjá breytingu á tegund eindar vegna skipta á pí-mesóni.

Hlutfallslegir massar skráðra burðareinda lýsa einhverju verðmætu varðandi grundvallarkraftana fjóra, eins og sjá má í töflu 23.2. W-bóseindir (sem samanstanda af W − og W + bóseindum) og Z-bóseindir (Z⁰-bóseindir), miðlarar veika kjarnakraftsins, eru næstum 1.000 sinnum massameiri en píeindir, miðlarar sterka kjarnakraftsins. Samtímis er fjarlægðin sem veiki kjarnakrafturinn getur borist um það bil 1/1.000 sinnum flutningsfjarlægð sterka kraftsins. Ólíkt burðareindum, sem hafa takmarkað drægi, er ljóseindin massalaus eind sem hefur engin mörk á flutningsfjarlægð rafsegulkraftsins. Þetta samband leiðir vísindamenn til þeirrar niðurstöðu að hin ófundna þyngdareind sé líklega einnig massalaus.

Hraðlar skapa efni úr orku

Áður en við skoðum allar eindirnar sem mynda alheiminn okkar skulum við fyrst skoða nokkrar af vélunum sem búa þær til. Grundvallarferlið við að búa til óþekktar eindir er að hraða þekktum eindum, eins og róteindum eða rafeindum, og beina geisla af þeim að skotmarki. Árekstrar við markkjarna veita mikið af upplýsingum, eins og upplýsingarnar sem Rutherford fékk í gullþynnutilrauninni. Ef orka aðkomandi einda er nógu mikil getur nýtt efni jafnvel myndast í árekstrinum. Því meiri orka sem sett er inn eða Δ E, því meira efni m getur myndast, samkvæmt jafngildi massa og orku m = Δ E / c 2. Þekkt varðveislulögmál, eins og varðveisla massa-orku, skriðþunga og hleðslu, setja takmarkanir á það sem getur gerst. Enn áhugaverðari eru hinar óþekktu takmarkanir sem náttúran setur. Þó að sum efnahvörf sem búist er við eigi sér stað, gerast önnur ekki, og enn önnur óvænt efnahvörf geta birst. Ný lögmál koma í ljós og langstærsti hluti þess sem við vitum um öröröröröröreindafræði hefur komið frá rannsóknarstofum með hröðlum. Þetta er uppáhalds innanhússíþrótt öröröröröröreindafræðingsins.

Elsta líkan okkar af eindahraðli kemur frá Van de Graaff-rafalnum. Þetta tiltölulega einfalda tæki, sem þú hefur líklega séð í eðlisfræðisýnikennslu, er hægt að stilla til að framleiða spennu sem er allt að 50 milljónir volta. Þó að þessar vélar hafi ekki næga orku til að framleiða nýjar eindir, var greining á hröðuðum jónum þeirra mikilvæg við rannsóknir á nokkrum þáttum kjarnans.

Annar jafn frægur snemmbúinn hraðall er hringhraðallinn, fundinn upp árið 1930 af bandaríska eðlisfræðingnum E.O. Lawrence (1901–1958). Mynd 23.8 er myndræn framsetning með meiri smáatriðum. Hringhraðlar nota riðrafsvið með fastri tíðni til að hraða eindum. Eindirnar færast í gormlaga feril út á við í segulsviði og fara eftir brautum með sífellt stærri radíus á meðan hröðun stendur. Þetta snjalla fyrirkomulag gerir kleift að bæta við rafmættisorku í hverjum hring. Fyrir vikið er hægt að ná meiri orku einda en í Van de Graaff-rafal.

Samhringhraðall (synchrotron) er breyting á hringhraðli þar sem eindir ferðast stöðugt á braut með föstum radíus og auka hraðann í hvert skipti. Hröðunarspennur eru samstilltar við eindirnar til að hraða þeim, þar af nafnið. Að auki er styrkur segulsviðs aukinn til að halda radíus brautarinnar föstum eftir því sem orkan eykst. Hringur af seglum og hraðlunarrörum, eins og sýnt er á mynd 23.9, eru helstu hlutar samhraðla. Háorkueindir krefjast sterkra segulsviða til að stýra þeim, svo ofurleiðandi seglar eru almennt notaðir. Þar sem samhringhraðlar takmarkast enn af þeim styrk segulsviða sem hægt er að ná, þurfa þeir að vera mjög stórir við mjög mikla orku þar sem radíus brautar háorkueindar er mjög stór.

Til að kanna kjarnann frekar þurfa eðlisfræðingar hraðla með meiri orku og nema fyrir styttri bylgjulengdir. Til að gera það þarf ekki aðeins meira fjármagn heldur einnig meiri hugvitsemi. Mótgeislar (colliding beams) sem notaðir eru bæði hjá Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab; sjá mynd 23.11) nálægt Chicago og LHC í Sviss eru hannaðir til að minnka orkutap í eindaárekstrum. Dæmigerðir kyrrstæðir eindanemar tapa mikilli orku til bakhrökkvandi skotmarksins sem hraðaða eindin rekst á. Með því að láta eindir sem hreyfast í gagnstæðar áttir rekast beint saman, gera mótgeislar það mögulegt að búa til eindir með skriðþunga og hreyfiorku nálægt núlli. Þetta gerir kleift að búa til eindir með meiri orku og massa. Mynd 23.10 er skýringarmynd af þessum áhrifum. Auk hringhraðla er hægt að nota línuhraðla til að minnka orkutap vegna geislunar. Stanford Linear Accelerator Center (nú kallað SLAC National Accelerator Laboratory) í Kaliforníu hýsir stærsta slíka hraðal í heimi.

Athugaðu skilning þinn