Przeskocz do treści

Delta mi!

Co to jest?

Oddziaływania fundamentalne

Szymon Charzyński

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: kwiecień 2019
  • Publikacja elektroniczna: 31 marca 2019
  • Autor: Szymon Charzyński
    Afiliacja: Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego
  • Wersja do druku [application/pdf]: (325 KB)

Powszechnie znana podręcznikowa odpowiedź na pytanie, ile jest oddziaływań fundamentalnych, brzmi: cztery.

Przypomnijmy jakie:

Elektromagnetyczne są odpowiedzialne za wiele zjawisk, które możemy obserwować na co dzień: przyciągające się magnesy, iskry czy wyładowania atmosferyczne. Pole elektryczne odpowiada również za wiązanie elektronów w atomach i wiązania chemiczne pomiędzy atomami, czyli trzyma w kupie cząsteczki chemiczne, z których jesteśmy zbudowani. Oscylacje pola elektromagnetycznego rozchodzą się jako fale, które w zależności od długości mają zwyczajowo różne nazwy, od fal najdłuższych, czyli radiowych, poprzez mikrofale, promieniowanie podczerwone, widzialne, nadfiolet, promieniowanie Röntgena aż po promieniowanie gamma.

Grawitacyjne również znamy z życia codziennego - każdy odczuwa przyciąganie Ziemi. Grawitacja rządzi ruchem planet wokół gwiazd, ruchem gwiazd powiązanych w galaktyki, gromadami galaktyk itp. W 2015 roku po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowano fale będące zaburzeniem pola grawitacyjnego, których istnienie przewidywała ogólna teoria względności Einsteina. Warto podkreślić, że to promieniowanie ma zupełnie inną naturę niż wszystkie wyżej wymienione zakresy promieniowania elektromagnetycznego, dlatego jego detekcja otwiera nowy rozdział w obserwacjach astronomicznych (patrz teksty Michała Bejgera Delta 4/2016 , Delta 12/2017 , Delta 11/2018).

Silne odpowiadają za wiązanie kwarków w bariony i mezony. Dwa najlżejsze bariony to proton i neutron, czyli składniki jąder atomowych. W uproszczeniu można sobie wyobrażać, że każdy z nich składa się z trzech kwarków. Za wiązanie protonów i neutronów w jądrach również odpowiadają oddziaływania silne, które nazwę swą zawdzięczają temu, że muszą przezwyciężać elektrostatyczne odpychanie dodatnio naładowanych protonów, czyli muszą być od nich silniejsze. Mają za to niewielki zasięg, i dlatego układ okresowy ma tylko kilka wierszy - jąder powyżej pewnego rozmiaru nie obserwuje się.

Słabe są najbardziej zagadkowe. Opisane wcześniej oddziaływania odpowiadają za wiązania w jakiejś konkretnej skali (silne - jądrowej, elektromagnetyczne - atomowej, grawitacyjne - astronomicznej). Słabe takiej funkcji nie spełniają, a procesy z ich udziałem mają zawsze charakter chwilowy, gdyż, w odróżnieniu od pozostałych oddziaływań, są przenoszone przez bardzo ciężkie i nietrwałe cząstki masywne. Pełnią jednak kluczową rolę, ponieważ odpowiadają za przemiany cząstek elementarnych w inne cząstki, które nie mogą zachodzić inaczej niż za pośrednictwem oddziaływań słabych, czego efektem są między innymi przemiany promieniotwórcze pierwiastków.

Fizycy od lat dążą do zredukowania tej listy i szukają teorii unifikującej wszystkie oddziaływania. Jak na razie udało się opisać w naprawdę jednolity sposób oddziaływania elektromagnetyczne i słabe jako przejaw jednego - elektrosłabego (teoria Weinberga-Salama). Więcej na ten temat oraz o zmaganiach z dołączeniem do unifikacji oddziaływań silnych można przeczytać w cyklu Piotra Chankowskiego (Delta 1/2016,...,Delta 6/2016 oraz Delta 2/2017). Grawitacja ciągle wydaje się najbardziej odróżniać od pozostałych sił, ale to już temat na inną opowieść.