Hva er de fire grunnleggende kreftene i naturen?

Siden begynnelsen av 1900-tallet har fysikere anerkjent fire grunnleggende krefter, eller interaksjoner, som omfatter alle kjente fenomener i naturen. Tre av fire er blitt karakterisert strengt og matematisk av standardmodellen, formulert på begynnelsen av 1970-tallet. De fire kreftene er den sterke kjernekraften (også kjent som fargekraften), den svake kjernekraften (formidler beta-forfall), den elektromagnetiske kraften og tyngdekraften.

Ved veldig høye energier forenes den svake kjernefysiske og den elektromagnetiske kraften (begynn å oppføre seg om hverandre), mens det ved fortsatt høyere krefter antas at den sterke kraften forenes med elektroken, og til slutt forener den sterkelektriske kraften seg med tyngdekraften. Det antas at alle fire ble forent et øyeblikk etter Big Bang, i de tidligste stadiene av universets dannelse.

Den sterke atomkraften holder protoner og nøytroner sammen i atomkjernen. Mer spesifikt er det formidlet av utveksling av gluoner mellom kvarker som utgjør protoner og nøytroner. Den er 100 ganger sterkere enn den elektromagnetiske kraften. Når kjerner smadres i kjernefysiske reaksjoner, frigjøres energi fra denne kraften. Beskrevet av fysikkteorien som kalles kvante kromodynamikk, mister den all sin styrke i avstander mye større enn atomkjernen.

Den elektromagnetiske kraften er den som folk er mest kjent med, og den er ansvarlig for alle kjemiske reaksjoner og de mest gjenkjennelige fysiske egenskapene, for eksempel lys. Det er formidlet av fotoner, som utgjør all elektromagnetisk stråling, fra kosmiske stråler til synlig lys til ekstremt lavfrekvente radiobølger. Både varme og lys består av fotoner.

Interaksjoner mellom elektromagnetisk kraft bestemmes av elektrisk ladning. Årsaken til at folk ikke faller gjennom en stol mens de sitter på den, er at den negative ladningen til atoms elektronskjellene som utgjør kroppen, blir frastøtt av den negative ladningen til elektronskjellene som utgjør stolen. Fotonbølger avtar i styrke i henhold til kvadratet på avstanden til kilden.

Den svake atomkraften er ansvarlig for et relativt lite spekter av grunnleggende interaksjoner. Det formidler beta-forfall, som er det som skjer når et nøytron brytes ned til et proton og et elektron eller positron. Mediert av W- og Z-bosoner er den omtrent hundre milliarder ganger svakere enn den elektromagnetiske. Den opererer bare over korte avstander.

Tyngdekraften er den svakeste av alle krefter, men den mest gjennomgripende i universet fordi den er generert av alle organer med masse. Tyngdekraften er 10 ³⁶ ganger svakere enn den elektromagnetiske kraften, noe som gjør det vanskelig å analysere matematisk. Partiklene som antas å mediere tyngdekraften - gravitoner - er ennå ikke blitt oppdaget. Tyngdekraften er også forskjellig fra de andre kreftene ved at den ennå ikke er integrert med de andre på en streng matematisk måte. Fysikere har søkt etter en teori for å forene tyngdekraften med de andre kreftene i nesten et århundre, uten hell så langt.