Het fundament van het universum
Welke krachten ken jij? Zwaartekracht, draadspanning, veercompressie, botsingen met het lichaam,
Het is de moeite waard om te bedenken dat het bestaan van vier fundamentele interacties (het Higgsveld niet meegerekend) tegenwoordig op betrouwbare wijze bekend is:
Zwaartekracht - zwaartekrachtinteractie
Zwaartekracht is de aantrekkingskracht tussen tweeobjecten die massa of energie hebben. Iedereen heeft deze fundamentele invloed opgemerkt en dankzij deze kan een mens zitten, staan of liggen. De zwaartekracht manifesteert zich in de val van een steen van een klif; de beweging van de planeet rond de ster; zeegetijden, waarvoor de maan verantwoordelijk is. Zwaartekracht is de meest intuïtieve en bekende van de fundamentele krachten, maar toch niet de gemakkelijkste om uit te leggen.
Isaac Newton was de eerste die het idee opperdezwaartekracht, vermoedelijk geïnspireerd door een appel die uit een boom valt. Hij beschreef het als een letterlijke aantrekkingskracht tussen twee objecten. Eeuwen later stelde Albert Einstein in zijn algemene relativiteitstheorie (GR) voor dat zwaartekracht geen aantrekkingskracht of kracht is. In plaats daarvan is het een gevolg van het feit dat objecten de ruimtetijd verbuigen. Een groot object werkt op vrijwel dezelfde manier met ruimte-tijd als een grote bal die in het midden van een vel papier wordt geplaatst, dat materiaal beïnvloedt, vervormt en ervoor zorgt dat andere, kleinere objecten op het vel naar het midden vallen.
De wet van universele zwaartekracht
Hoewel de zwaartekracht de planeten bij elkaar houdt,sterren, zonnestelsels en zelfs sterrenstelsels blijkt het de zwakste van de fundamentele krachten te zijn, vooral op moleculair en atomair niveau. Denk er eens zo over na: hoe moeilijk is het om de bal van de grond te krijgen? Of je been optillen? Of springen? Al deze acties gaan de zwaartekracht van de hele aarde tegen. En op moleculair en atomair niveau heeft de zwaartekracht vrijwel geen effect op andere fundamentele krachten.
Zwakke kracht en deeltjesverval
De zwakke kracht, of zwakke kernkracht,is verantwoordelijk voor het verval van deeltjes. Dit is de letterlijke transformatie van het ene type subatomair deeltje in het andere. Een neutrino dat afwijkt van een neutron kan bijvoorbeeld een neutron in een proton veranderen, en een neutrino in een elektron.
Natuurkundigen beschrijven deze interactie via een uitwisselingbosonen. Deze krachtdragende deeltjes, namelijk enkele van hun typen, zijn verantwoordelijk voor de zwakke kracht, elektromagnetische kracht en sterke kracht. Bij de zwakke kracht zijn de bosonen geladen deeltjes die W- en Z-bosonen worden genoemd. Wanneer subatomaire deeltjes – protonen, neutronen en elektronen – zich binnen 10 tot 18 meter (0,1% van de diameter van een proton) van elkaar bevinden, kunnen ze deze bosonen uitwisselen. Als gevolg hiervan vallen subatomaire deeltjes uiteen in nieuwe deeltjes.
Een zwakke koppeling is van cruciaal belangkernfusiereacties. Zij drijven de zon aan en produceren de energie die nodig is voor de meeste vormen van leven hier op aarde. Dit is trouwens de reden waarom archeologen koolstof-14 gebruiken om de ouderdom van oude botten, hout en andere voorheen levende artefacten te bepalen. Koolstof-14 heeft zes protonen en acht neutronen. Eén van deze neutronen vervalt tot een proton en vormt stikstof-14, dat zeven protonen en zeven neutronen heeft. Dit verval vindt plaats in een voorspelbaar tempo, waardoor wetenschappers de ouderdom van artefacten kunnen bepalen.
Elektromagnetische kracht
Elektromagnetische kracht (Lorentz-kracht) werkttussen geladen deeltjes - negatief geladen elektronen en positief geladen protonen. Tegenoverliggende ladingen trekken elkaar aan, terwijl identieke ladingen afstoten. Hoe meer lading, hoe meer vermogen. En net als de zwaartekracht is deze kracht voelbaar.
Zoals de naam suggereert, elektromagnetische krachtbestaat uit twee delen: elektrische kracht en magnetische kracht. In eerste instantie beschreven natuurkundigen deze krachten afzonderlijk van elkaar, maar realiseerden zich later dat ze componenten van één zijn.
De elektrische component werkt tussengeladen deeltjes, ongeacht of ze bewegen of niet, waardoor een veld ontstaat. Hiermee kunnen ladingen elkaar beïnvloeden. Maar zodra ze in beweging komen, vertonen deze geladen deeltjes ook de tweede component: magnetische kracht. Als ze bewegen, creëren ze een magnetisch veld om hen heen. Wanneer elektronen de draad binnendringen om bijvoorbeeld een computer of telefoon op te laden of een televisie aan te zetten, wordt de draad magnetisch.
Daartussen worden elektromagnetische krachten overgedragengeladen deeltjes door de uitwisseling van massaloze, krachtdragende bosonen - fotonen, die ook lichtdeeltjes zijn. Fotonen die kracht dragen, zijn echter een andere manifestatie ervan. Volgens de Universiteit van Tennessee in Knoxville zijn ze virtueel en niet detecteerbaar, hoewel ze technisch gezien dezelfde deeltjes zijn als de echte en detecteerbare versie van fotonen.
Voor sommigen is elektromagnetische kracht verantwoordelijkvan de meest voorkomende verschijnselen: wrijving, elasticiteit, normaalkracht en de kracht die vaste stoffen in een bepaalde vorm bij elkaar houdt. Ze is zelfs verantwoordelijk voor de weerstand van bijvoorbeeld vogels en vliegtuigen. Dit komt door de interactie van geladen (of neutrale) deeltjes met elkaar. De normaalkracht die een boek op een tafel houdt (in plaats van dat de zwaartekracht het boek naar de grond trekt) is bijvoorbeeld te wijten aan het feit dat de elektronen in de atomen van de tafel de elektronen in de atomen van het boek afstoten.
Sterke kracht - biljoenen biljoenen biljoenen sterker dan zwaartekracht
Sterke nucleaire kracht, of sterke nucleaire krachtinteractie is de krachtigste van de vier fundamentele natuurkrachten. Volgens HyperPhysics is dit 6000 biljoen biljoen biljoen (dat is 39 nullen na 6) keer sterker dan de zwaartekracht. Dit komt omdat het fundamentele deeltjes materie met elkaar verbindt om grotere deeltjes te vormen. Het houdt de quarks die protonen en neutronen vormen bij elkaar, en een deel van de sterke kracht houdt ook de protonen en neutronen van de atoomkern bij elkaar.
Als een zwakke kracht, een sterkeinteractie werkt alleen als de subatomaire deeltjes erg dicht bij elkaar staan. Ze moeten ergens binnen 10-15 meter van elkaar zijn (ongeveer binnen de diameter van een proton).
Er kan echter sprake zijn van een sterke interactie"vreemd". Feit is dat het, in tegenstelling tot andere fundamentele krachten, zwakker wordt naarmate subatomaire deeltjes elkaar naderen. Zoals de Fermilab-onderzoekers schrijven, bereikt de sterke interactie zijn maximale ‘sterkte’ wanneer de deeltjes zo ver mogelijk uit elkaar staan. Eenmaal binnen bereik brengen massaloos geladen bosonen (gluonen) de sterke kracht tussen quarks over en houden ze ‘aan elkaar gelijmd’. Een klein deel van de sterke kracht – de resterende sterke kracht – werkt tussen protonen en neutronen. Protonen in de kern stoten elkaar af vanwege hun vergelijkbare lading, maar een resterende sterke kracht kan dit proces overwinnen. Dit is de reden waarom deeltjes in de kern van een atoom met elkaar verbonden blijven.
De grote eenwording en theorie van alles
De onopgeloste kwestie van vierfundamentele krachten is of ze werkelijk een manifestatie zijn van die ene grote kracht in het universum. Als dit het geval is, zou elk van hen in staat moeten zijn om met de anderen te fuseren, en er zijn al aanwijzingen dat dit mogelijk is.
Natuurkundigen Sheldon Glashow en Steven Weinberg vanHarvard University met Abdus Salam van Imperial College London ontving in 1979 de Nobelprijs voor natuurkunde voor het combineren van elektromagnetische kracht met zwakke kracht om het concept van elektrozwakke kracht te vormen. Natuurkundigen die werken aan de creatie van de theorie van de Grote Eenwording, proberen de elektrozwakke interactie te combineren met de sterke om de elektron-nucleaire interactie te bepalen. Het werd eerder voorspeld door modellen, maar is nog niet waargenomen. Het laatste stukje van de puzzel zou het combineren van zwaartekracht met elektron-nucleaire kracht vereisen om een theorie van alles te ontwikkelen - de basis die het hele universum zou kunnen verklaren.
Natuurkundigen vonden het echter nogal moeilijk om te combinerenmicroscopische wereld met macroscopisch. Op een grote en vooral astronomische schaal domineert de zwaartekracht en wordt het best beschreven door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Maar op moleculair, atomair of subatomair niveau beschrijft de kwantummechanica de natuurlijke wereld het beste. En tot nu toe heeft niemand een goede manier bedacht om deze twee werelden bij elkaar te brengen.
Lees verder
De eerste nauwkeurige kaart van de wereld is gemaakt. Wat is er mis met de rest?
Uranus heeft de status van de vreemdste planeet in het zonnestelsel gekregen. Waarom?
NASA vertelde hoe ze monsters van Mars naar de aarde zullen brengen
Higgs-veld zorgt voor spontane overtredingsymmetrie van elektrozwakke interacties als gevolg van het verbreken van vacuümsymmetrie, genoemd naar de ontwikkelaar van de theorie, de Britse natuurkundige Peter Higgs. Het kwantum van dit veld is het Higgs-deeltje (het Higgs-deeltje).
W- en Z-bosonen - fundamentele deeltjes,dragers van zwakke interactie. Hun ontdekking wordt beschouwd als een van de belangrijkste successen van het standaardmodel van deeltjesfysica. Het W-deeltje is genoemd naar de eerste letter van de interactienaam - zwakke interactie
Koolstof-14 is een radioactieve nuclide van het chemische element koolstof met atoomnummer 6 en massagetal 14.
Stikstofisotopen zijn variëteiten van chemische atomenelement stikstof, met een verschillend gehalte aan neutronen in de kern. Natuurlijke stikstof bestaat uit twee stabiele isotopen ¹⁴N en ¹⁵N met atoomconcentraties van respectievelijk 0,99636 en 0,00364.
Een neutraal deeltje is een elementair deeltje, nietmet een elektrische lading. Neutrale deeltjes zijn bijvoorbeeld een foton, een neutron, een neutrino. Neutrale deeltjes kunnen echter een magnetisch moment hebben en elektrische momenten met een hogere multipolariteit, bijvoorbeeld een quadrupoolmoment.
De kracht van een normale reactie is een kracht die op inwerkthet lichaam vanaf de zijkant van de steun en loodrecht op het contactoppervlak gericht. Verdeeld over het oppervlak van de contactzone. Hiermee moet rekening worden gehouden bij het analyseren van de dynamiek van lichaamsbewegingen. Cijfers in de wet van Amonton-Coulomb.