De fire fundamentale naturkræfter


Inden for fysik er det fire fundamentale naturkræfter gravitation, elektromagnetisme, stærk kernekraft og svag kernekraft. Disse kræfterne påvirker alt i universet, styrer hvordan partikler arbejder sammen og alle kendte naturkræfter kan spores tilbage til disse fire naturkræfter.

Gravitation holdes os og andre objekter nede på jorden, elektromagnetisme holder elektronen i en bane rundt atomkernen, stærk kernekraft holder atomkernen sammen, og svag kernekraft sørger for betastråling og gør fusion i solen og andre stjerner mulig.

Gravitation og elektromagnetisme var op til 1930’erne de eneste kendte naturkræfter, af den grund at de begge er lette at observere og virker på makroniveau. Men da fysikerne begyndte at se ind i atomkerne og fandt kvarker og andre kernepartikler, blev det klart at det måtte eksistere nogle kræfter som ”bare” virkede på atomniveau; stærk og svag kernekraft.

De fundamentale kræfter er normalt karakteriseret ved fire forskellige kriterier: hvilke typer partikler de virker på, den relative styrke, rækkevidde og følgepartikel (også kaldet for en boson (hver af de fire naturkræfter har mindst en boson som formilder kraften)).

Kraft
Følgepartikel
Relativ styrke
Rækkevidde (m)
Stærk kernekraft
gluoner
1038
10-15
Elektromagnetisme
fotoner
1036
uendelig
Svag kernekraft
W og Z bosoner
1025
10-18
Gravitation
gravitoner
1
uendelig

Hvis man ser på relativ styrke er stærk kernekraft den stærkeste af de fire naturkræfterne, efterfulgt af elektromagnetisme, svag kernekraft og gravitation. Gravitation og elektromagnetisme har begge en uendelig rækkevidde, mens de to kernekræfters rækkevidde er så lille at de kun kan virke på atomniveau: Stærk kernekraft har en lille men stadig længere rækkevidde end svag kernekraft, og partikler inden for denne rækkevidden vil med stor sandsynlighed reagere med hverandre. Svag kernekraft er den kraft med den mindste rækkevidde, og har en endnu mindre rækkevidde end stærk kernekraft. Partikler der bliver påvirket af svag kernekraft vil sjældent reagere, medmindre at de har en meget høj energi, dette kommer af at bosonerne til kraften har masse.

Fysikere har i årtier prøvet at forene de fire fundamentale naturkræfter til at være en del af den samme fundamentale kraft. Det mest succesfølge forsøg på dette indtil nu har været teorien om den elektrosvage kraft (elektromagnetisme og svag kernekraft er her en del af samme kraft). Teorien blev fremsat af tre forskere i 1960’erne og verificeret af CERN i 1983. I dag bruges Standard Model, som inkluderer alle kræfterne bortset fra gravitation. Dette kommer af at man stadig ikke har fundet en måde at ”placere” gravitation i forhold til de andre kræfter. Hvis man i fremtiden skulle klare at finde en ”ultimativ fundamental naturkraft” vil det nok ikke ændre vores hverdag som sådan, men vi ville få en bedre forståelse af hvordan universet er bygget op.

Gravitation

Prinicipia-title.png
Principia Mathematica værket Newton udgav i 1687
Gravitation er den nok mest kendte kraft for mange af os, og dette af en god grund. For gravitation virker på alt, det er det der holder os og andre objekter nede på jorden, og jorden og andre planeter i vores solsystem i en bane rundt solen.

Gravitation var også den kraft der blev beskrevet først matematisk. Allerede for over 2000 år siden tilbage i tid, i det antikke Grækenland sagde filosoffen Aristoteles at objekter med forskellig masse, falder med forskellig fart. Noget der dog senere blev falsificeret af den italienske filosof og fysikker Galileo Galilei, igennem dennes kendte forsøg med ting af forskellig masse. I 1687 udgav den britiske fysiker Sir Isaac Newton sine love der gav en god beskrivelse af hvordan gravitation virker. Det var dog en ting Newtons love ikke kunne svare på, nemlig Merkurs underlige kredsløb rundt solen. Dette var et problem der skulle fortsætte med at irriterede fysikerne, helt til at den tyske fysiker Albert Einstein i 1916 fremsatte den generelle relativitetsteori, som gav en løsning på problemet: Newtons love gælder ikke for objekter med en høj fart (som lyshastigheden) eller steder med en meget stærk tyngdekraft. Hvilket viste at Newtons love kun gælder for en bestemt type for gravitation, som virker ved svag tyngdekraft og lav fart.

Gravitation har en uendelig rækkevidde, og påvirker alle objekt i universet uanset om de haver masse eller ej. Det er den svageste af de fire kræfterne på atomniveau, da de partikler et atom består af er for små til at gravitation kan have en større påvirkning på dem. Men da kraften som sagt har en uendelig rækkevidde, er gravitation den stærkeste af de fundamentale kræfter over en kosmisk afstand, hvilket bl.a. vises ved at det er gravitation der holder jorden i en bane rundt solen.

Siden Einstein kom med sin relativitetsteori i 1916, har forskere prøvet at forene gravitation med de tre andre kræfterne, for at skabe en enkelt kraft, men indtil nu har dette dog været uden det største held. I en slik teori vil gravitation ligesom de tre andre kræfterne have en følgepartikel, kaldet graviton. Denne partikel burde ligne på fotonen til elektromagnetisme, da gravitation ligesom elektromagnetisme har en uendelig rækkevidde og svækkes over afstand. Gravitonen burde være uden masse og farve. Gravitonen er den eneste af følgepartiklerne man stadig ikke har fundet eksperimentelt.

Elektromagnetisme

James_Clerk_Maxwell.png
Maxwell den skotske fysiker som "skabte den elektromagnetiske kraft"
Elektromagnetisme er den kraft der virker mellem elektrisk ladede partikler (afstødning og tiltrækning) og er det som holder de negativt ladede elektroner i en bane rundt den positivt ladede atomkerne. Elektromagnetisme er forklaringen bag mange af hverdagens fænomen som laser, radio, fjernsyn, friktion og lys.

Man har kendt til elektromagnetisme helt siden antikken, men det var først i det nittende århundrede efter Kristus at man begyndte at studere kraften. Forskerne troede først at elektricitet og magnetisme var to forskellige kræfter. Men flere forsøg viste at det var flere ligheder mellem de to kræfterne, bl.a. kunne de bruges til at skabe hverandre. Dette førte til at den britiske fysiker James Clerk Maxwell i 1864, på grundlag af eget og andres arbejde kunne erklærede at magnetisme og elektricitet var forskellige dele af den samme elektromagnetiske kraft.

Elektromagnetisme er stærkere end gravitation, og har en ligeså lang rækkevidde som gravitation i makroverdenen (uendelig). Men kan ikke bruges til at forklare hvordan atomkernen holdes sammen. Dette kommer af at elektromagnetisme har en relativt lille rækkevidde på atomniveau og at den positivt ladede atomkernen ville have brudt sammen (protonerne i kernen ville afstøde hverandre og ryge til hver sin side), hvis det kun var elektromagnetisme til at holde den sammen.

I 1925 fandt de tre fysikerne Max Born, Pascual Jordan og Werner Heisenberg elektromagnetismens følgepartikel, fotonen. Partikler der bliver påvirket af elektromagnetisk stråling, vil absorbere og emittere energi som fotoner. Elektromagnetisme mærkes af alle partikler som har en elektrisk ladning. Noget der betyder at elektromagnetisme hverken påvirket neutroner eller fotoner, og at næsten alle objekter i universet er påvirket af elektromagnetisme og udsender elektromagnetisk stråling. Fotonen bevæger sig med lysets hastighed og kan derfor ifølge Einstein realitetsteori ikke have masse, noget der også er vidt accepteret i dag.

Stærk kernekraft

Stærk kernekraft er den kraft der holder atomkernen sammen. Hvis det bare havde været elektromagnetisme som virket i kernen, ville protonerne i kernen afstøde hverandre, flyve til alle sider og kernen ville kollapse. Mens gravitation som sagt ikke har for meget at skulle have sagt på atomniveau.

Yukawa_hideki_statue2.jpg
Yukawa Hideki manden bag pionen

”Vejen mod opdagelsen af stærk kernekraft” begyndte i 1935 da den japanske fysiker Yukawa Hideki (japansk ordstilling), foreslog at protoner reagerer med andre protoner og neutroner, ved udvekslingen af en type partikler kaldet for mesoner (senere pioner). Yukawa fik nobelprisen i fysik for sit arbejde i 1949 I 1950’erne blev der bygget partikelacceleratorer der skulle bruges til at finde ud af atomets struktur, ved at smadre atomer mod hverandre ved høj hastighed. I forsøgene fandt man bl.a. Yukawas pioner og kvarker.

Når man får at vide at den stærke kernekraft holder atomkernen sammen, vil de fleste nok tænke at den stærke kernekraft virker på er nukleonerne i atomkernen, altså protoner og neutroner. Men dette er dog ikke helt sandt, for det den stærke kernekraft i virkeligheden virker på er kvarkerne som nukleonerne i kernen er opbygget af.

Den stærke kernekraft virker på kvarkerne ved hjælp af en egenskab kaldet for farvekraft (kan sammenlignes med elektrisk ladning og elektromagnetisme). Alle genstander der haver farve vil blive påvirket af den stærke kernekraft. Protoner og neutroner hører til blandt partikler der er farveløse, og kan derfor ikke blive påvirket af stærk kernekraft. Det eksisterer forskellige typer kvarker (6 typer) og de forskellige typer kvarker vil tiltrække hverandre. Når kvarkerne bliver tiltrukket af hverandre, vil det blive dannet pioner. Udvekslingen af pioner mellem neutroner og protoner i kernen er det der holder atomkernen sammen.

Stærk kernekraft har en kort rækkevidde (10-15), men inden for denne rækkevidde er den til gengæld den stærkeste af de fire kræfterne. Noget som betyder at kvarkerne vil blive ”limet” sammen til hverandre. Styrken til den stærke kernekraft øger jo længere afstanden er mellem to kvarker/partikler (inden for rækkevidden), og enkelte steder vil dens styrke være 100 millioner ganger stærkere end styrken fra tilsvarende elektromagnetisk stråling.

Følgepartiklen for stærk kernekraft kaldes for en gluon. Gluonen er masseløst, har ingen elektrisk ladning men har til gengæld farve, noget der betyder at de i modsætning til andre bosoner kan blive påvirket af kraften de bærer, og bliver tiltrukket af hverandre. Gluoner går imellem partikler med farve, og ændrer farven på partiklerne.

Svag kernekraft

Mens stærk kernekraft er den kraft der holder atomkernen sammen, er svag kernekraft den kraft der sørger for specielle former af radioaktivt henfald og ændringer af kvarker. Svag kernekraft blev ”opdaget” senere end stærk kernekraft, og har fået sit navn af at den er svagere end stærk kernekraft (og elektromagnetisme).

Svag kernekraft påvirker alle typer partikler, bortset fra bosonerne. Men kraften vil ofte være vanskelige at opdage i situationer hvor kræfter stærkere end den selv virker. På atomniveau vil stærk kernekraft være dominerende, mens elektromagnetisme vil være dominerende mellem en proton og en elektron. Men i situationer der hverken stærk kernekraft eller elektromagnetisme har muligheder for at virke, vil svag kernekraft være den dominerende kraft og let at spore. Noget som bl.a. er tilfældet med neutroner, partikler som hverken har elektrisk ladning og farve.

Svag kernekraft kan få en atomkerne til at henfalde, ved at omdanne enkelte partikler fra atomkernen til en anden type partikler. Betahenfald er et eksempel på når dette sker. I betahenfald vil en neutron blive omdannet til en proton, og atomkernen vil i den samme proces sende ud en antineutrino og en elektron. Foruden at være kraften bag radioaktivt henfald, er svag kernekraft den eneste proces hvor en kvark kan blive omdannet til en anden kvarktype, og det er også kraften der gør fusion mulig i solen og andre stjerner.

Svag kernekraft bosoner kaldes for Z og W bosoner. En speciel egenskab ved disse bosonerne, er at de i modsætning til andre bosoner har masse (100 ganger massen til en proton). Denne masse gør så at Z og W bosoner har en mindre rækkevidde end masseløse bosoner, og svag kernekraft har af den grund den mindste rækkevidde (10-18 m) af de fire fundamentale naturkræfter. Massen til bosonerne er også en af grundene til at partikler under påvirkning af svag kernekraft, vil have en meget lille chance for at reagere med hverandre (medmindre de har en høj energi).

Teorier

Standardmodellen

Standardmodellen er den teori der i dag bruges til at beskrive som alle de fire fundamentale naturkræfter, undtagen gravitation. Teorien er bygget på to andre teorier, som sammen indeholder disse tre kræfterne og hvordan de virker: elektrosvag teori (elektromagnetisme og svag kernekraft) og kvantekromodynamik (stærk kernekraft).
800px-CERN_LHC_Tunnel1.jpg
Large Hadron Collider i CERN, partikelacceleratoren man forventer vil have en stor indflydelse på fremtidens fysik


Standardmodellen blev til i 1970’erne og bygget på forskning der havde foregået helt siden starten af det tyvende århundrede. Det er i dag den teori der giver os den bedste beskrivelse af naturlovene, og skulle teoretisk set kunne svare på "alt" som ikke skyldes gravitation. Indtil nu har standardmodellen svaret overens med alle målinger, og har bl.a. forklaret reaktionerne mellem kvarker og leptoner med en ganske stor nøjagtighed.

Men ligesom de fleste teorier har standardmodellen et par svagheder. De største er nok at teorien ikke indeholder gravitation, og at den ikke forener stærk kernekraft med den elektrosvage kraft. Derudover er det flere ting ved de tre kræfter den indeholder den ikke kan forklare, men de fleste af disse problem er for indviklet til at blive nævnt her. Alle de mange svagheder ved standardmodellen har gjort så at man i dag arbejder på at finde en ny teori, som i fremtiden kan afløse standardmodellen.

En vigtig ting i standardmodellen er higgs boson, som bl.a. forklarer hvorfor fotonen ikke har masse og hvorfor Z og W bosoner har masse. Men det er et problem med higgs bosonen, nemlig at man indtil nu kun har fundet indirekte spor efter partiklen. Dette kommer bl.a. af at ingen af vores partikelacceleratorer kan skabe høj energi til at finde higgs boson, men det forventes at Large Hadron Collider i CERN vil kunne bruges til at finde bosonen.

Den elektrosvage kraft

Teorien om den elektrosvage kraft, er den nok mest succesfulde foreningsteori indtil videre. I teorien bliver elektromagnetisme og svag kernekraft beskrevet som en del af den samme kraft, kaldet for den elektrosvage kraft.

Når elektromagnetisme og svag kernekraft virker ”normalt” på partikler på Jorden, vil det se ud som om de er to vidt forskellige kræfter. Bl.a. så vil elektromagnetisme her være 10 millioner (107) gange stærkere end svage kernekraft, og kan bevæge sig ”evigt” mens svag kernekraft vil være begrænset til atomkernen.

Men i 1960’erne fandt de tre fysikere Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam og Steven Weinberg ud af at hvis energien var over 100 GeV (gigaelektronvolt, 1 eV = 1,60217653 x 10-19 J) noget som ville have tilsvaret en temperatur på rundt 1015 K (eksisterede lige efter Big Bang). Ville det ikke længere være mulig at skelne de to kræfter fra hverandre. I 1979 fik gruppen nobelprisen i fysik for sit arbejde.

I 1983 blev deres teori bekræftet eksperimentalt og verificeret af CERN (European Organization for Nuclear Research), efter at man med hjælp fra en partikelaccelerator havde vist at elektromagnetisme og svag kernekraft har flere fælles egenskaber ved en høj energi.

Kvantekromodynamik

Kvantekromodynamik er teorien bag hvordan stærk kernekraft virker. I denne teori vil stærk kernekraft virke på kvarker og andre partikler som har farve, ved udvekslingen af partikler kaldet gluoner. Teorien kan på mange måder sammenlignes med kvanteelektrodynamik (teorien bag elektromagnetisme), og farve vil for stærk kernekraft være det samme som elektrisk ladning er for elektromagnetisme. Ligesom elektromagnetisme kan beskrives som en udveksling af fotoner, kan stærk kernekraft beskrives som en udveksling af gluoner.

Men det er en vigtig forskel mellem elektromagnetisme og stærk kernekraft. For mens fotonen ikke har nogen elektrisk ladning, så har gluoner farve og kan derfor virke på andre gluoner. En egenskab der gør så at stærk kernekraft i modsætning til elektromagnetisme, øger i styrke over større afstande.

Grand Unified Theories (GUTs)

Grand Unified Theories eller GUTs er en fællesbetegnelse for en række teorier der prøver at forene den elektrosvage kraft og den stærke kernekraft, til at være en del af en enkelt kraft. Selv om det indtil nu har blevet lavet mange GUTs, er ingen af dem alment anerkendte i dag, bl.a. af den grund at ingen af dem er set på som at være helt vandtætte.

Mange GUTs bygger videre på de samme metoder der blev brugt da man fandt den elektrosvage kraft: På Jorden har de fleste partikler normalt en svært lav energi, og af denne grund ser de fire fundamentale kræfter ud til at eksistere hver for sig selv, som fire forskellige kræfter. Men ved at rejse energien til rundt 100 GeV kan man forene to af kræfterne, elektromagnetisme og svag kernekraft til at være en del af den samme kraft: den elektrosvage kraft. På samme måde burde det derfor være teoretisk mulig at forene den elektrosvage kraft med den stærke kernekraft, ved et endnu højere energiniveau. Det eneste problem er at dette energiniveau er svært højt, og fysikere har regnet ud at det behøves en energi på over 1014 for at dette skal kunne ske. Dette er en energi som bl.a. findes i kosmisk stråling, men som ligger langt over niveauet til alle moderne partikelacceleratorer (man forventer at Large Hadron Collider i CERN vil have et energiniveau på max 14 TeV eller rundt 14 000 GeV).

En speciel ting ved flere GUTs er at protonen ikke vil være stabil men henfalder, med en levetid på over 1032 år. Da dette er vel lang tid for de fleste af os, er det ingen som indtil nu har iværksat et eksperiment som vil følge hele livsforløbet til en proton. I stedet har man prøvet at studere en stor mængde af protoner, for at prøve at finde noget der minder at protonen virkelig henfalder. Men man har dog indtil nu været uden den helt store succes.

Da selv en succesfuld GUT ikke vil indeholde den fjerde fundamentale naturkraft, gravitation, kan denne teori ikke ses på som en endelig teori. Af den grund arbejder man allerede nu på at lave en teori om alt, hvor alle de fire fundamentale naturkræfter inkluderet gravitation vil blive beskrevet som en del af den samme kraft. Men selv om en succesfuld GUT ikke vil være det endelige svar, vil det i hvert fald være et skridt i den rigtige retning og vil enkle vores søgen efter en "teori om alt".

Teorien om alt (TOE)

”Teorien om alt” ofte forkortet TOE (fra det engelske "Theory of everything"), er en fremtidig teori der skal beskrive de fire fundamentale naturkræfter som en del af den samme kraft, og hvordan de hænger sammen og virker på hverandre.
480px-Einstein1921_by_F_Schmutzer_4.jpg
Albert Einstein prøvede uden held at forene gravitation med elektromagnetisme

Drømmen om en teori om alting går tilbage til antikken hvor flere græske filosofer drømte om at lave en "teori om alt". Men den moderne drøm om en "teori om alt" har dog en lidt yngre historie, og stammer tilbage fra det nittende århundrede da Maxwell forende de magnetisme og elektricitet til at være en del af den samme kraft: elektromagnetisme.

På Einstein sin tid var det kun to fundamentale naturkræfter: elektromagnetisme og gravitation. Men Einstein syntes at to naturkræfter var en for meget, og prøvede over en lang periode at forene disse til at være en del af den samme naturkraft. Dette var uden det største held, og de to kræfter har forblevet separerte indtil i dag. Einsteins arbejde var dog ikke helt forgæves, og hans to relativitetsteorier fra henholdsvis 1905 og 1916 var et biprodukt af denne forskning.

Opdagelsen af de to kernekræfterne (svag og stæk kernekraft), satte for en tid et stop i videre udforskning af en "teori om alt", men det tog dog ikke lang tid før forskerne igen arbejdede for fuldt drøn. Et resultat af dette var at man i 1960'erne kom frem til den elektrosvage kraft, ved at forene svag kernekraft og elektromagnetisme.

I dag bruges standardmodellen, men da denne ikke forener den elektrosvage kraft og den stærke kernekraft til at være en del af den samme kraft. Arbejdes det i dag på at finde en teori, der i fremtiden kan erstatte standardmodellen. Et eksempel på en slik teori kan være en GUT, og man vil efter en slik teori nok prøve at arbejde mod en "teori om alt", hvor GUT'en vil blive forenet med gravitation, til at være en del af den samme kraft.

Ud over at samle og forklare de fire fundamentale kræfter, burde "teorien om alt" også kunne beskrive hvorfor fysikkens love er slik de er i dag. I følge den amerikanske fysiker Steven Weinberg vil en "teori om alt" være så kompakt at det ikke burde være mulig at modificere teorien uden at ødelægge den. Det er en del fysikere der har været mistænksomme over for en eventuel "teori om alting", da det ikke vil være mulig at lave en perfekt teori. Dette begrundes bl.a. i Grödels ufuldstændige teorem, der siger at det altid vil opstå et nyt problem når du har løst et problem og at nogle af disse nye problemer ikke vil være mulige at bevise.

Hvis vi følger fysikkens historie ind til nu er det gode muligheder for at vi i fremtiden vil kunne lave en "teori om alt" eller i hvert fald en teori der vil omfatte og beskrive alle de fire fundamentale naturkræfter. For navnet til "teorien om alt" vil med stor sandsynlig være misvisende, da den ligesom standardmodellen nok ikke kommer til at svare på alt den i teorien burde kunne svare på. På dette grundlaget burde teorien om alt/der forener naturkræfterne hellere blive set på som et skridt i den rigtige retning, i stedet for en endelige teori.

everything.jpg
Hvordan det hele hænger sammen

Kilder