Wat zijn de vier fundamentele krachten van de natuur?
Sinds het begin van de 20e eeuw hebben natuurkundigen vier fundamentele krachten, of interacties, erkend die alle bekende fenomenen in de natuur omvatten. Drie van de vier zijn rigoureus en wiskundig gekenmerkt door het standaardmodel, geformuleerd in de vroege jaren zeventig. De vier krachten zijn de sterke kernkracht (ook bekend als de kleurkracht), de zwakke kernkracht (bemiddelt bèta-verval), de elektromagnetische kracht en de zwaartekracht.
Bij zeer hoge energieën verenigen de zwakke nucleaire en de elektromagnetische kracht zich (beginnen zich onderling uitwisselbaar te gedragen), terwijl bij nog hogere krachten wordt aangenomen dat de sterke kracht zich verenigt met de elektroweak, en ten slotte verenigt de sterke-electroweakkracht zich met de zwaartekracht. Er wordt aangenomen dat alle vier een moment na de oerknal waren verenigd, in de vroegste stadia van de vorming van het universum.
De sterke kernkracht houdt protonen en neutronen bij elkaar in de atoomkern. Meer specifiek wordt het gemedieerd door de uitwisseling van gluonen tussen quarks die protonen en neutronen vormen. Het is 100 keer sterker dan de elektromagnetische kracht. Wanneer kernen in nucleaire reacties worden verpletterd, komt energie van deze kracht vrij. Beschreven door de fysica-theorie genaamd kwantumchromodynamica, verliest het al zijn kracht in afstanden die veel breder zijn dan de atoomkern.
De elektromagnetische kracht is die waarmee mensen het meest vertrouwd zijn en is verantwoordelijk voor alle chemische reacties en de meest herkenbare fysische eigenschappen, zoals licht. Het wordt gemedieerd door fotonen, die alle elektromagnetische straling vormen, van kosmische straling tot zichtbaar licht tot extreem lage frequentie radiogolven. Zowel warmte als licht bestaan uit fotonen.
Elektromagnetische krachtinteracties worden bepaald door elektrische lading. De reden dat mensen niet door een stoel vallen terwijl ze erop zitten, is dat de negatieve lading van de atomaire elektronenschillen waaruit het lichaam bestaat, wordt afgestoten door de negatieve lading van de elektronenschillen waaruit de stoel bestaat. Fotongolven verminderen in sterkte volgens het kwadraat van de afstand van hun bron.
De zwakke kernkracht is verantwoordelijk voor een relatief klein aantal fundamentele interacties. Het bemiddelt bèta-verval, wat gebeurt wanneer een neutron uiteenvalt in een proton en een elektron of positron. Gemedieerd door W- en Z-bosonen, het is ongeveer honderd miljard keer zwakker dan de elektromagnetische. Het werkt alleen over korte afstanden.
Zwaartekracht is de zwakste van alle krachten, maar de meest doordringende in het universum omdat het wordt gegenereerd door alle lichamen met massa. De zwaartekracht is 36 keer zwakker dan de elektromagnetische kracht, waardoor het moeilijk is om wiskundig te analyseren. De deeltjes waarvan wordt gedacht dat ze de zwaartekracht mediëren - gravitonen - zijn nog niet gedetecteerd. Zwaartekracht onderscheidt zich ook van de andere krachten doordat het nog niet op een rigoureuze wiskundige manier met de anderen is geïntegreerd. Natuurkundigen zijn al bijna een eeuw op zoek naar een theorie om de zwaartekracht te verenigen met de andere krachten, tot nu toe zonder geluk.