Čtyři silové interakce
V tomto článku si představíme základní druhy sil, které stojí v pozadí všech známých způsobů vzájemného silového působení částic a polí. Tradičně fyzici uvažují o čtyřech: gravitaci, elektromagnetické síle, slabé a silné (jaderné) interakci.
Obsah
Obecně o silových interakcích
Tradičně se jim také říká „fundamentální síly“. Dnes však již víme, že jedna z nich není tradiční silou (v newtonianském smyslu) a zbylé tři se jeví jako různé aspekty jedné síly.
Konkrétně „nesilou“ je gravitace, která je dle obecné teorie relativity pouze zakřivením časoprostoru. V rámci teorie elektroslabé interakce se podařilo sjednotit elektromagnetickou a slabou sílu. A existuje i teorie sjednocující tuto elektroslabou a silnou sílu. Ale my začneme pěkně od začátku.
Gravitační síla (G)
„Nepozemská“ síla, jak by ji asi nazvali naši předci, v běžném životě opravdu visuálně potkáváme jen u pohybu nebeských těles. Ze všech sil je nejslabší v tom smyslu, že ji v mnoha případech „přebíjí“ ostatní (zvláště v mikrosvětě). Má však jednu unikátnost – nelze ji samu o sobě vyrušit/odstínit, neexistuje totiž nic jako antigravitace.
To je ostatně dáno tím, že působí na hmotu částic či těles – naneštěstí neexistuje nic jako záporná hmota. Platí, že čím více jsou tělesa „těžší“~hmotnější, tím se více přitahují. Uvědomme si, že tíha, v našem běžném chápání, není nic jiného než jakou silou jsou tělesa přitahována k Zemi.
Vzhledem k předchozímu není asi překvapující, že působiště gravitace není nijak prostorově omezeno (je tzv. dalekosahová) a působí na všechny (hmotné) objekty. Byť samozřejmě s přibývající vzdáleností ztrácí na významu (klesá kvadraticky). Dvakrát vzdálenější objekty na sebe působí již čtyřikrát menší silou.
Elektromagnetická síla (E)
Později lidé objevili elektrické a magnetické jevy a ukázalo se, ze spolu úzce souvisí. Například světlo je elektromagnetické vlnění, tedy pravidelné změny elektrického a magnetického pole, které se šíří prostředím. Mnohé z jejích vlastností z ní činí pro nás nejviditelnější a „nejdůležitější“ silou.
Fixuje například velikost atomů, udržuje strukturu pevné látky – způsobuje vazby mezi molekulami, atomy, elektrony a jádry. Objem objektů a většina sil z běžného života (třecí síly, odporové síly, …) jsou tedy projevem právě elektromagnetické interakce. Přičemž se jedná o druhou nejsilnější interakci – je 1036 krát silnější než síla gravitační!
„Vzniká“ mezi nabitými částicemi. Působí totiž na elektrický náboj (tj. na všechny elektricky nabité částice) a to buď přitažlivě, či odpudivě v závislosti na znaménku náboje. Odtud také plyne, proč reálně nepůsobí do nekonečna. Vesmír je totiž jako celek elektricky neutrální a tudíž se jednotlivá elektromagnetická působení vzájemně vyruší. Přestože její síla také klesá kvadraticky, ve větších vzdálenostech převažuje gravitace.
Silná interakce (S)
S objevem (struktury) atomového jádra bylo potřeba určit jak částice v jádře drží pohromadě – předchozí síly samotné k tomu totiž nestačí, ba dokonce gravitace zde vzhledem k hmotnostem nehraje roli. Tato nová síla musí udržet nukleony a kvarky u sebe v jádrech atomů. Vezmeme-li například jádro helia, pak vidíme, že je zde silná interakce natolik silná, že udrží dva protony, přestože se elektromagneticky odpuzují
Mluvíme tedy o tzv. silné jaderné síle nebo obecně o silné interakci. Toto označení podporuje i to, že je ze všech sil nejsilnější – je 102 krát silnější než elektromagnetická síla, tedy 1038 krát silnější než síla gravitační. Avšak má velmi krátký dosah – působí jen v mikrosvětě a působí pouze na kvarky a gluony.
Slabá interakce (W)
Posledním jevem, který si měl zasloužit vlastní sílu, je rozpad některých atomových jader na jádra jiná. Při těchto reakcí z jádra vyletují elektrony či pozitrony (antičástice k elektronům, které mají stejnou hmotnost ale opačný náboj).
Slabá interakce je „jen“ 1025 krát silnější než gravitace a je tedy slabší než síla elektromagnetická. Také má velmi krátký dosah a působí pouze na kvarky a leptony. Avšak za rozpady 95% částic stojí právě slabá interakce.
Zprostředkovatelé interakcí
Předchozí text v nás mohl vyvolat otázku: Jak vzniká síla? Nejlépe si to asi přiblížíme na situaci, kdy máme dvě osoby na dvou loďkách někde na klidné vodě. Naši experimentátoři mají taktéž míč a na počátku našeho experimentu jsou loďky vedle sebe.
Nyní si začnou tento míč mezi sebou přehazovat. Osoba, která míč hází, předává energii míči (zákon akce a reakce) a osoba, která míč chytá, přijímá energii „uskladněnou“ v míči. V důsledku předchozího se naše loďky začnou od sebe vzdalovat a máme tak představu (sice vzdálenou, ale …) o způsobu vzniku odpudivé síly. Pokud bychom míč vyměnili za bumerang a házeli jej tak, aby vždy dopadl na záda druhé osoby (nejlépe samozřejmě tak, abychom my byli zády ke směru hodu), ilustrovali bychom sílu přitažlivou.
Interakci mezi experimentátory zprostředkovával míč resp. bumerang. A prostředkem interakce je energie schovávaná v míči resp. bumerangu. I naše silové interakce mají své prostředníky a prostředky s jejichž pomocí působí na okolí.
Tak tedy, u elektromagnetické interakce je prostředníkem částice foton a prostředkem je elektrický náboj, u silné je prostředníkem gluon a prostředkem tzv. barevný náboj, u slabé bosony W± a Z a prostředkem je tzv. vůně, u gravitace je pak prostředníkem graviton a prostředkem interakce je hmotnost.
Hmotnost je zajímavá v tom, že dle slavné rovnice \(E = m c^2\) má spojitost s energií. Co víc, hmotnost převážně „vzniká“ z energie interakcí mezi kvarky a gluony. Má tedy spojitost se silnou interakcí. Gluony, které ji zprostředkovávají, neustále vznikají a zanikají a s jejich pomocí jsou k sobě vázány kvarky, které vytváří protony a neutrony. Energie jejich fluktuací je tedy zahrnuta v celkové hmotnosti protonu a neutronu, ti pak tvoří atomy a … Hmotnost elementárních částic pak „vysvětluje“ tzv. Higgsův boson.
Jednotná teorie
Někdy i odborněji Jednotná teorie pole (Teorie velkého sjednocení) či populárnější Teorie všeho. Jak už jsme si řekli v úvodu, tři ze čtyř interakcí lze popsat (řekněme s odřenýma ušima) v rámci teorie jedné „supersíly“ chcete-li „superinterakce“. Problémem je však skloubení makroskopických (resp. kosmických) jevů s těmi mikroskopickými. Zvláště pak v místech, kde se tyto světy prolínají jako například v černých dírách. Což však, alespoň prozatím, nedaří.
Kouzlo tohoto sjednocení však je, že by v jeho důsledku měl existovat jednotný popis („jedna rovnice“) pro všechny děje ve vesmíru. Uvidíme, zda se tohoto popsání světa pomocí univerzální teorie dožijeme.
Závěr, refernce a doporučené texty k přečtení
Tento, článek je spíše takovým prvním seznámením. Doufám tedy, že jsme úspěšně nahlédli za oponu běžného světa a podívali se na ozubená kolečka soukolí jménem vesmír. Pokud vás problematika zaujala neváhejte navštívit:
