Alates tänaval kõndimisest kuni raketi kosmosesse laskmiseni ja külmkapile magneti kleepumiseni tegutsevad füüsilised jõud kõikjal meie ümber. Kuid kõik jõud, mida me iga päev kogeme (ja paljud, mida me ei saa arugi, et kogeme iga päev), võib kokku panna vaid neljaks põhijõuduks:
- Gravitatsioon.
- Nõrk jõud.
- Elektromagnetism.
- Tugev jõud.
Neid nimetatakse looduse neljaks põhijõuks ja need juhivad kõike, mis universumis toimub.
Gravitatsioon
Gravitatsioon on külgetõmbejõud kahe objekti vahel, millel on mass või energia, olgu see siis, kui kivi tilgab sillalt, tähe ümber tiirlev planeet või Kuu, põhjustades ookeani tõusulaineid. Gravitatsioon on ilmselt põhijõudude kõige intuitiivsem ja tuttavam, kuid seda on olnud ka üks keerukamaid selgitada.
Isaac Newton pakkus esimesena välja gravitatsiooni idee, mis oli väidetavalt inspireeritud puult langevast õunast. Ta kirjeldas gravitatsiooni kui sõnasõnalist tõmmet kahe objekti vahel. Sajandeid hiljem soovitas Albert Einstein oma üldrelatiivsusteooria kaudu, et gravitatsioon pole külgetõmbejõud ega jõud. Selle asemel on see tagajärg objektidest, mis painutavad ruumi-aega. Suur objekt töötab ruumi-ajaga natuke nagu see, kuidas lehe keskele asetatud suur pall mõjutab seda materjali, deformeerides seda ja põhjustades lehe teistel väiksematel objektidel keskpunkti langemist.
Ehkki gravitatsioon hoiab koos planeete, tähti, päikesesüsteeme ja isegi galaktikaid, osutub see põhijõududest kõige nõrgemaks, eriti molekulaar- ja aatomi skaalal. Mõelge sellele nii: kui raske on palli maast lahti tõsta? Või jalga tõsta? Või hüpata? Kõik need toimingud neutraliseerivad kogu Maa raskust. Ja molekulaarsel ja aatomi tasemel pole gravitatsioonil peaaegu mingit mõju teiste põhijõudude suhtes.
Nõrk jõud
Tahkete osakeste lagunemise eest vastutab nõrk jõud, mida nimetatakse ka nõrgaks tuuma interaktsiooniks. See on ühe tüüpi subatomaatiliste osakeste sõnasõnaline muutus teiseks. Nii võib näiteks neutroni lähedale hiiliv neutriino muuta neutrioni prootoniks, samal ajal kui neutriinost saab elektron.
Füüsikud kirjeldavad seda koostoimet jõudu kandvate osakeste, mida nimetatakse bosoniteks, vahetamise kaudu. Nõrga jõu, elektromagnetilise jõu ja tugeva jõu eest vastutavad teatud tüüpi bosonid. Nõrga jõu korral on bosonid laetud osakesed, mida nimetatakse W ja Z bosoniteks. Kui subatomaarsed osakesed nagu prootonid, neutronid ja elektronid asuvad teineteisest kaugemal kui 10–18 meetrit ehk 0,1% prootoni läbimõõdust, saavad nad neid bosoneid vahetada. Selle tulemusel lagunevad subatomilised osakesed uuteks osakesteks, selgub Georgia Riikliku Ülikooli veebisaidist HyperPhysics.
Nõrk jõud on kriitiline tuumasünteesi reaktsioonide jaoks, mis võtavad päikest ja toodavad energiat, mis on vajalik enamike eluvormide jaoks siin Maa peal. See on ka põhjus, miks arheoloogid võivad kasutada süsinik-14 tänapäevaseid iidseid luid, puitu ja muid varem elavaid esemeid. Süsinikul-14 on kuus prootonit ja kaheksa neutronit; üks neist neutronitest laguneb prootoniks, moodustades lämmastiku-14, milles on seitse prootonit ja seitse neutronit. See lagunemine toimub ennustatava kiirusega, võimaldades teadlastel kindlaks teha, kui vanad sellised esemed on.
Elektromagnetiline jõud
Elektromagnetiline jõud, mida nimetatakse ka Lorentzi jõuks, toimib laetud osakeste vahel, nagu negatiivselt laetud elektronid ja positiivselt laetud prootonid. Vastupidised laengud meelitavad üksteist, samasugused laengud tõrjuvad. Mida suurem on laeng, seda suurem on jõud. Ja sarnaselt gravitatsioonile saab seda jõudu tunda lõpmatust kaugusest (ehkki jõud oleks sellel kaugusel väga-väga väike).
Nagu nimigi näitab, koosneb elektromagnetiline jõud kahest osast: elektrijõud ja magnetjõud. Alguses kirjeldasid füüsikud neid jõude üksteisest eraldatuna, kuid hiljem mõistsid teadlased, et need kaks on sama jõu komponendid.
Elektriline komponent toimib laetud osakeste vahel, olgu nad liikuvad või paigal, luues välja, mille abil laengud võivad üksteist mõjutada. Kuid kui nad on liikuma hakanud, hakkavad need laetud osakesed kuvama teist komponenti - magnetjõudu. Osakesed loovad enda ümber liikudes magnetvälja. Nii et kui elektronid arvuti või telefoni laadimiseks või teleri sisselülitamiseks näiteks juhtmest suurenevad, muutub traat magnetiliseks.
Elektromagnetilised jõud kanduvad laetud osakeste vahel läbi massimata, jõudu kandvate bosonide, mida nimetatakse footoniteks, vahetamise teel, mis on ühtlasi valguse osakeste komponendid. Laenduvate osakeste vahel vahetuvad jõudu kandvad footonid on aga footonite erinevad ilmingud. Need on virtuaalsed ja tuvastamatud, ehkki Tennessee ülikooli Knoxville'i andmetel on nad tehniliselt samad osakesed kui tõeline ja tuvastatav versioon.
Elektromagnetiline jõud on vastutav mõne kõige sagedamini esineva nähtuse eest: hõõrdetegur, elastsus, normaaljõud ja kindlat kuju omavad tahkised. See vastutab isegi tõmbamise eest, mida linnud, lennukid ja isegi Superman lennates kogevad. Need toimingud võivad toimuda laetud (või neutraliseeritud) osakeste tõttu, mis üksteist mõjutavad. Tavaline jõud, mis hoiab raamatut laua peal (selle asemel, et gravitatsioon tõmbaks raamatu läbi maapinna), on näiteks tabeli aatomites elektronide tagasilükkamise tagajärg, kuna need aatomid tõrjuvad elektronid.
Tugev tuumajõud
Tugev tuumajõud, mida nimetatakse ka tugevaks tuuma interaktsiooniks, on looduse neljast põhijõudust tugevaim. HyperPhysicsi veebisaidi andmetel on see 6000 triljonit triljonit triljonit (see on 39 nulli pärast 6!) Korda tugevam kui gravitatsioonijõud. Ja see on sellepärast, et see seob aine põhiosakesed suuremate osakeste moodustamiseks. See hoiab koos kvarke, mis moodustavad prootoneid ja neutroneid, ning osa tugevast jõust hoiab koos ka aatomi tuuma prootoneid ja neutroneid.
Sarnaselt nõrgale jõule töötab tugev jõud ainult siis, kui subatomilised osakesed asuvad üksteisele äärmiselt lähedal. Need peavad asuma HyperPhysicsi veebisaidi andmetel kuskil üksteisest 10–15 meetri kaugusel või umbes prootoni läbimõõdu sees.
Tugev jõud on siiski veider, kuna erinevalt teistest põhijõududest muutub see nõrgemaks, kuna subatomaalsed osakesed liiguvad üksteisele lähemale. Maksimaalse tugevuse saavutab see siis, kui osakesed on Fermilabi andmetel üksteisest kõige kaugemal. Kui need on levialas, edastavad massita laetud bosonid, mida nimetatakse glüoonideks, kvarkide vahel tugevat jõudu ja hoiavad neid "kokku liimitud". Väike murdosa tugevast jõust, mida nimetatakse tugevaks jäävjõuks, toimib prootonite ja neutronite vahel. Tuumas olevad prootonid tõrjuvad üksteist nende sarnase laengu tõttu, kuid tugev jääkjõud võib sellest tõrjumisest üle saada, nii et osakesed jäävad aatomi tuumas seotuks.
Ühendav loodus
Nelja põhijõu lahendamata küsimus on, kas need on tegelikult vaid universumi ühe suure jõu ilmingud. Kui jah, peaks igaüks neist saama teistega sulanduda ja on juba tõendeid, et nad saavad seda teha.
Füüsikud Sheldon Glashow ja Steven Weinberg Harvardi ülikoolist koos Londoni Imperiali kolledži abdus Salamiga võitsid Nobeli füüsikaauhinna 1979. aastal selle eest, et elektromagnetiline jõud ühendati nõrga jõuga, moodustades elektrilöögi jõu kontseptsiooni. Niinimetatud suurejoonelise ühtse teooria leidmiseks töötavate füüsikute eesmärk on ühendada elektrilöögi jõud tugeva jõuga, et määratleda elektrontuumajõud, mida mudelid on ennustanud, kuid teadlased pole seda veel täheldanud. Mõistatuse viimane tükk eeldaks siis gravitatsiooni ühendamist elektrontuumajõuga, et välja töötada nn kõige teooria, teoreetiline raamistik, mis võiks selgitada kogu universumit.
Füüsikute arvates on mikroskoopilise maailma ja makroskoopilise ühendamine üsna raskeks. Suurtel ja eriti astronoomilistel skaaladel domineerib gravitatsioon ja seda kirjeldab kõige paremini Einsteini üldrelatiivsusteooria. Kuid molekulaar-, aatomi- või subatomaatilises skaalas kirjeldab kvantmehaanika loodusmaailma kõige paremini. Ja siiani pole keegi tulnud välja hea moodusega nende kahe maailma ühendamiseks.
Kvantgravitatsiooni uurivate füüsikute eesmärk on kirjeldada kvantmaailma jõudu, mis võiks ühinemisel aidata. Selle lähenemisviisi põhialuseks oleks gravitonide, gravitatsioonijõu teoreetilise jõu kandva bosoni avastamine. Gravitatsioon on ainus põhiline jõud, mida füüsikud saavad praegu kirjeldada ilma jõudu kandvate osakesteta. Kuid kuna kõigi teiste põhijõudude kirjeldused nõuavad jõudu kandvaid osakesi, eeldavad teadlased, et gravitonid peavad eksisteerima alaatomilisel tasemel - teadlased lihtsalt pole neid osakesi veel leidnud.
Loo veelgi keerukamaks muudab tumeda aine ja tumeda energia nähtamatu valdkond, mis moodustavad umbes 95% universumist. On ebaselge, kas tume aine ja energia koosnevad ühest osakestest või tervest osakeste komplektist, millel on oma jõud ja käskja boonid.
Praegune huvipakkuv peamine osake on teoreetiline tume footon, mis vahendab nähtava ja nähtamatu universumi vastasmõjusid. Kui tumedad footonid on olemas, on need võtmeks tumeaine nähtamatu maailma avastamiseks ja võivad viia viienda põhijõu avastamiseni. Siiani puuduvad tõendid tumedate footonite olemasolu kohta ja mõned uuringud on pakkunud kindlaid tõendeid selle kohta, et neid osakesi pole olemas.
