Alapvető kölcsönhatások

Afizikábanalapvető erő,vagyalapvető kölcsönhatása neve annak a mechanizmusnak, melynek segítségévelrészecskékkölcsönhatástgyakorolnak egymásra, és amely más kölcsönhatással nem magyarázható.

Az alapvető kölcsönhatás modellje szerint a természetben mindenfermionokbóláll. Ezek mindegyiketöltésneknevezett tulajdonságot hordoz magával, valamint egy fél egységnyispinnek,magyarosan pedigperdületnek is nevezettimpulzusmomentumot (redukált Planck-állandó*1/2spin). A gravitációs kölcsönhatástól eltekintve a fermionok egymásra való vonzó, vagy taszító hatása virtuális részecskék, ún. mértékbozonokkicserélése útján történik. A bozonokat kölcsönhatás-hordozóknak, vagy erőközvetítőknek is nevezhetjük. A kölcsönhatás kifejezés ezt a kölcsönös bozonátadást tükrözi. Például:

két fermion összejön$\rightarrow$kölcsönhatásbozoncserével$\rightarrow$két megváltozott fermion távozik

A fermionok közötti bozoncsere mindig energia- és perdületátvitelt jelent, ami a fermionok irányváltozását és sebességváltozását jelenti. Töltésátvitel is történhet azonban, ami a fermionok minőségét is megváltoztathatja, egyikből másikat képez. Mivel a bozonok egy egész impulzusmomentumot hordoznak, a fermionok pedig felet, ilyen kölcsönhatás esetén a fermion perdülete előjelet változtat. A kölcsönhatás eredménye vonzás vagy taszítás is lehet, ezért ezt a kölcsönhatásterőnek is nevezzük.

A kölcsönhatások

A kölcsönhatások tulajdonságai és az azokat közvetítőbozonokáttekintő táblázata

kölcsönhatás	közvetítő	nyugalmi tömege	töltés	Mire hat?	hatótávolság (m)
erős	gluonok(8-féle)	0	színtöltés	hadronokra	10−15
elektromágneses	foton	0	elektromos töltés	elektromosan töltött részecskékre	végtelen
gyenge	Z0W+és W-	91, 80 ill. 80GeV/c²	gyenge töltés	minden 1/2 spinű részecskére	10−18
gravitáció	graviton	0	tömeg	mindenre	végtelen

Gravitáció

Agravitáció (tömegvonzás)messze a leggyengébb kölcsönhatás, mivel azonban csak a testek tömegétől függ, hatótávolsága végtelen és nem lehet leárnyékolni, ahogy az elektromágneses kölcsönhatás esetén a negatív töltés terét egy pozitívéval, ezért a nagyobb távolságok esetén (például abolygókközött) ennek a hatása a döntő.

Végtelen hatótávolsága miatt a gravitáció felelős a nagy skálán kialakuló alakzatokért; agalaxisok,fekete lyukak,csillagködökszerkezetéért, aVilágegyetemtágulásáért, a bolygókpályájáért,valamint olyan hétköznapi tapasztalatokért, hogy a testek leesnek, ha felugrunk, visszaesünk.

A gravitáció volt az első, amelyet matematikai összefüggésekkel leírtak.Isaac Newtonegyetemes tömegvonzási törvénye (1687) nagyon jó közelítése volt a gravitáció viselkedésének.1915-benAlbert Einsteinkidolgozta azáltalános relativitáselméletet,a gravitáció még pontosabb elméletét, mely azt atéridőgeometriájakéntírja le.

A jelenlegi aktív kutatások területéhez tartozik az általános relativitáselmélet és akvantummechanikaösszegyúrása egykvantumgravitációselméletté. Általánosan elfogadott, hogy a kvantumgravitáció elméletében a gravitációt egy részecske közvetíti, melyetgravitonnaknevezünk. A gravitont még nem fedezték fel.

Elektromágnesség

Azelektromágnességaz az erő, amely azelektromosan töltöttrészecskék között hat. Magában foglalja az elektrosztatikai erőt, mely két nyugvó töltés között hat, valamint azelektromosságés amágnességösszetett hatásait, melyek az egymáshoz képest mozgó töltött testek között hatnak.

Az elektromágnesség elég erős, nagy hatótávolságú kölcsönhatás, ezért ez felelős sok hétköznapi jelenségért, mint amilyen azizzó,alézerés arádióműködése, afémekésmolekulákszerkezete, asúrlódásés aszivárvány.

Az elektromágnességet klasszikus esetben aMaxwell-egyenletekírják le, melyeket a19. századmásodik fele óta ismerünk. Az elektromágnesség kvantumos elméletétkvantum-elektrodinamika(angol rövidítése QED) néven ismerjük. A QED szerint az elektromosan töltött részecskékfotonokatcserélnek egymással, ez közvetíti az erőt.

A gyenge kölcsönhatás

Agyenge kölcsönhatásfelelős az atomi skálán fellépő néhány jelenségért, mint amilyen abéta-bomlás.A béta-bomlásban is keletkezőneutrínókcsak ebben a kölcsönhatásban vesznek részt (a még sokkal gyengébb gravitációs kölcsönhatáson kívül), azért váratott magára sokáig a felfedezésük. Az elektromágnességről és a gyenge kölcsönhatásról felismerték, hogy az egyesítettelektrogyenge kölcsönhatáskétféle vetülete (ahogy az elektromágnesesé az elektromosság és a mágnesesség) – ez volt az első lépés astandard modellneknevezett egyesített elmélet felé. Az elektrogyenge elméletben az elektrogyenge kölcsönhatás közvetítői a tömeggel rendelkezőmértékbozonok,aW- és Z-bozonok.Az elektrogyenge elmélet egy példa arra az elméletre, melyben aparitásnem marad meg, azaz egy létező jelenség tükörképe nem mindig létező jelenség. (De aCPT-szimmetriamegmarad.)

Az erős kölcsönhatás

Az erős kölcsönhatásnukleonokat(aprotonokatés aneutronokat) tartja össze azatommagban,enélkül például ahéliumkét protonja szétrepülne az elektromos taszítás miatt.

A kvantumelméletben az erős kölcsönhatást akvantum-színdinamika(angol rövidítéssel QCD) írja le. Eszerint az erőt agluonnevű részecskék hordozzák, és olyan részecskékre hat, melyek úgynevezett „színtöltést” hordoznak:kvarkokraés gluonokra. A kvarkok összetett részecskéket alkotnak:barionokatésmezonokat,melyek között így szintén hat az erős kölcsönhatás. (Abarionokközé tartoznak a nukleonok is.)

Az egyesítő elméletek

A fizika egyik célja, hogy mindenkölcsönhatástegyetlen közös elmélettel írjon le, így lehetővé válna, hogy minden kölcsönhatást egyetlen alapkölcsönhatásra vezessünk vissza. Eleinte az elektrosztatika és az elektrodinamika is külön jelenségnek látszott, de rájöttek, hogy az áram töltött részecskék mozgása, és aMaxwell-elméletegyesítette az elektromosságot és a mágnesességet, később pedig arészecskefizikaistandard modell,a részecskékkvantummechanikaielmélete egyesítette a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatást.

Anagy egyesített elmélet,vagyGrandUnificationTheory (GUT)jelenti a még meg nem levő elméletet, mely a gravitáció kivételével a másik hármat egyesítené, tehát az elektrogyengét az erőssel. További lépés lenne a gravitáció beolvasztása, melyet „minden dolgok elmélete”, vagyTheoryOfEverything (TOE)tartalmaz. Az elmélet megalkotásának fő nehézsége, hogy a gravitációnak nincs meg a kvantummechanikával összhangban levő általánosan elfogadott elmélete (kvantumgravitáció).

A következő táblázat leírja, hogy milyen kapcsolatban állnak egymással a különböző kölcsönhatások és az azokat leíró elméletek:

kvantumelmélet	mechanika	optika	elektrosztatika	magnetosztatika	gyenge kölcsönhatás	erős kölcsönhatás	gravitáció
		elektrodinamika(ED) -elektromágneses kölcsönhatás
kvantummechanika
kvantum-elektrodinamika(QED)						kvantum-színdinamika(QCD)	általános relativitáselmélet(GR)
elektrogyenge kölcsönhatás(EW)
Részecskefizikai standard modell(SM) - Nagy egyesített elmélet (GUT)
Kvantumgravitáció-Mindenség elmélete(ToE)

Források

• A német és angol szócikk
• Feynman, Richard P. (1967).The Character of Physical Law.MIT Press.ISBN 0-262-56003-8Magyarul megjelentA fizikai törvények jellegecímen
• Weinberg, S. (1993).The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe.Basic Books.ISBN 0-465-02437-8,Magyarul megjelentAz utolsó három perccímen
• Weinberg, S. (1994).Dreams of a Final Theory.Vintage Books USA.ISBN 0-679-74408-8
• Padmanabhan, T. (1998).After The First Three Minutes: The Story of Our Universe.Cambridge University Press.ISBN 0-521-62972-1