Quais são as quatro forças fundamentais da natureza?
Desde o início do século 20, os físicos reconheceram quatro forças fundamentais, ou interações, que abrangem todos os fenômenos conhecidos da natureza. Três em cada quatro foram caracterizados rigorosamente e matematicamente pelo Modelo Padrão, formulado no início da década de 1970. As quatro forças são a força nuclear forte (também conhecida como força da cor), a força nuclear fraca (medeia o decaimento beta), a força eletromagnética e a gravidade.
Em energias muito altas, a força nuclear fraca e a força eletromagnética se unem (começam a se comportar de maneira intercambiável), enquanto em forças ainda mais altas, acredita-se que a força forte se une à força eletrofraca e, finalmente, a força forte eletromagnética se une à gravidade. Acredita-se que todos os quatro se uniram um instante após o Big Bang, nos estágios iniciais da formação do universo.
A forte força nuclear une prótons e nêutrons no núcleo atômico. Mais especificamente, é mediada pela troca de glúons entre quarks que formam prótons e nêutrons. É 100 vezes mais forte que a força eletromagnética. Quando os núcleos são esmagados em reações nucleares, a energia dessa força é liberada. Descrita pela teoria da física chamada cromodinâmica quântica, ela perde toda a sua força em distâncias muito maiores que o núcleo atômico.
A força eletromagnética é aquela com a qual as pessoas estão mais familiarizadas e é responsável por todas as reações químicas e pelas propriedades físicas mais reconhecíveis, como a luz. É mediada por fótons, que compõem toda a radiação eletromagnética, desde raios cósmicos a luz visível até ondas de rádio de frequência extremamente baixa. Tanto o calor quanto a luz são compostos de fótons.
As interações da força eletromagnética são determinadas pela carga elétrica. A razão pela qual as pessoas não caem de uma cadeira enquanto estão sentadas é que a carga negativa das conchas de elétrons atômicas que compõem o corpo é repelida pela carga negativa das conchas de elétrons que compõem a cadeira. As ondas de fótons diminuem de força de acordo com o quadrado da distância de sua fonte.
A força nuclear fraca é responsável por uma faixa relativamente pequena de interações fundamentais. Ele medeia o decaimento beta, que é o que acontece quando um nêutron se decompõe em um próton e um elétron ou pósitron. Mediada pelos bósons W e Z, é cerca de cem bilhões de vezes mais fraca que a eletromagnética. Funciona apenas em curtas distâncias.
A gravidade é a mais fraca de todas as forças, mas a mais difundida no universo, porque é gerada por todos os corpos com massa. A gravidade é 10 36 vezes mais fraca que a força eletromagnética, o que dificulta a análise matemática. As partículas que se pensa mediar a gravidade - gravitons - ainda não foram detectadas. A gravidade também é distinta das outras forças, pois ainda não foi integrada às outras de maneira matemática rigorosa. Os físicos têm procurado uma teoria para unificar a gravidade com as outras forças por quase um século, sem sorte até agora.