Jakie są cztery podstawowe siły natury?

Od początku XX wieku fizycy rozpoznali cztery podstawowe siły lub interakcje, które obejmują wszystkie znane zjawiska w przyrodzie. Trzy z czterech zostały rygorystycznie i matematycznie scharakteryzowane przez Model Standardowy, sformułowany na początku lat 70. Cztery siły to silna siła jądrowa (znana również jako siła koloru), słaba siła jądrowa (pośredniczy w rozpadzie beta), siła elektromagnetyczna i grawitacja.

Przy bardzo wysokich energiach słaba siła jądrowa i siła elektromagnetyczna jednoczą się (zaczynają zachowywać się zamiennie), podczas gdy przy jeszcze wyższych siłach uważa się, że mocna siła łączy się z osłabieniem elektrycznym, a ostatecznie siła silnego osłabienia elektrycznego łączy się z grawitacją. Uważa się, że wszystkie cztery zostały zjednoczone natychmiast po Wielkim Wybuchu, w najwcześniejszych stadiach formowania się wszechświata.

Silna siła jądrowa utrzymuje razem protony i neutrony w jądrze atomowym. Mówiąc dokładniej, pośredniczy w tym wymiana gluonów między kwarkami tworzącymi protony i neutrony. Jest 100 razy silniejszy niż siła elektromagnetyczna. Gdy jądra zostają rozbite w reakcjach jądrowych, energia z tej siły jest uwalniana. Opisany przez teorię fizyki zwaną chromodynamiką kwantową, traci całą swoją siłę w odległościach znacznie większych niż jądro atomowe.

Siła elektromagnetyczna jest tą, z którą ludzie są najbardziej zaznajomieni, i jest odpowiedzialna za wszystkie reakcje chemiczne i najbardziej rozpoznawalne właściwości fizyczne, takie jak światło. Pośredniczą w tym fotony, które składają się na całe promieniowanie elektromagnetyczne, od promieni kosmicznych po światło widzialne po fale radiowe o bardzo niskiej częstotliwości. Zarówno ciepło, jak i światło składają się z fotonów.

Oddziaływania sił elektromagnetycznych są określane przez ładunek elektryczny. Powodem, dla którego ludzie nie spadają z krzesła siedząc na nim, jest to, że ładunek ujemny atomowych powłok elektronowych tworzących ciało jest odpychany przez ładunek ujemny powłok elektronowych tworzących krzesło. Fale fotonów zmniejszają swoją siłę zgodnie z kwadratem odległości ich źródła.

Słaba siła nuklearna jest odpowiedzialna za stosunkowo niewielki zakres podstawowych interakcji. Pośredniczy w rozpadzie beta, co dzieje się, gdy neutron rozpada się na proton i elektron lub pozyton. Pośredni przez bozony W i Z, jest około sto miliardów razy słabszy niż elektromagnetyczny. Działa tylko na krótkich dystansach.

Grawitacja jest najsłabszą ze wszystkich sił, ale najbardziej wszechobecną we wszechświecie, ponieważ jest wytwarzana przez wszystkie ciała o masie. Grawitacja jest 10 ³⁶ razy słabsza niż siła elektromagnetyczna, co utrudnia matematyczną analizę. Cząstki, o których myśli się, że pośredniczą w grawitacji - grawitony - nie zostały jeszcze wykryte. Grawitacja różni się także od innych sił tym, że nie została jeszcze zintegrowana z innymi w rygorystyczny sposób matematyczny. Fizycy od prawie wieku szukają teorii zjednoczenia grawitacji z innymi siłami, na razie bez powodzenia.