4 กองกำลังพื้นฐานคืออะไร?

พลังพื้นฐานของธรรมชาติทั้งสี่นั้นเป็นสี่วิธีที่สสารมีปฏิสัมพันธ์ในจักรวาล แรงโน้มถ่วงเป็นจุดอ่อนที่สุดในสี่สิ่งมีอยู่ในชีวิตประจำวันของผู้คน แต่ดูขัดแย้งกันค่อนข้างแรง แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะควบคุมเครื่องจักรไฟฟ้า อินเทอร์เน็ต และสมาร์ทโฟนของเรา อีกสองแรง คือ แรงนิวเคลียร์แบบแรงและแบบอ่อน ทำงานในระดับอะตอมและส่งผลต่ออนุภาคมูลฐาน เช่น โปรตอนและอิเล็กตรอน กองกำลังทั้งสี่นี้เป็นเหตุผลที่ทำให้โลกดำรงอยู่อย่างที่เป็น โดยพลังแต่ละอย่างมีคุณสมบัติและคุณลักษณะเฉพาะตัว

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

แรงพื้นฐานสี่ประการของธรรมชาติ จากมากไปหาน้อย คือ แรงนิวเคลียร์อย่างแรง แรงแม่เหล็กไฟฟ้า แรงนิวเคลียร์แบบอ่อน และแรงโน้มถ่วง

เมื่อวัตถุที่ไม่มีชีวิตหรืออนุภาคมูลฐานมีปฏิสัมพันธ์กัน แรงพื้นฐานจะมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของพวกมัน ตัวอย่างเช่น ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์เนื่องจากแรงโน้มถ่วง สายฟ้าฟาดเพราะอิเล็กตรอนกระโดดระหว่างเมฆกับพื้นเนื่องจากแรงแม่เหล็กไฟฟ้า อะตอมอยู่ด้วยกันเพราะแรงนิวเคลียร์อย่างแรง และการแผ่รังสีธรรมชาติเกิดจากแรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอ

กองกำลังเหล่านี้มีลักษณะสำคัญสองประการที่เหมือนกัน พวกมันมีพละกำลังและทำหน้าที่ในระยะหนึ่ง ยิ่งไปกว่านั้น พวกมันแต่ละตัวมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวและดำเนินการในเรื่องต่างๆ ในรูปแบบที่ต่างกันโดยสิ้นเชิง

แรงที่ทรงพลังที่สุดในสี่กองกำลังคือแรงนิวเคลียร์อย่างแรง ซึ่งต้องเอาชนะแรงอันดับสอง นั่นคือ แม่เหล็กไฟฟ้า ในนิวเคลียสของอะตอม นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน โดยที่โปรตอนขับไล่กันเนื่องจากมีประจุบวก แรงนิวเคลียร์อย่างแรงจะเอาชนะแรงผลักนี้และยึดโปรตอนไว้ใกล้กันในนิวเคลียส

เพื่อให้สามารถเปรียบเทียบความแรงของแรงพื้นฐาน นักวิทยาศาสตร์มักใช้แรงนิวเคลียร์อย่างแรงเป็นพื้นฐานและกำหนดค่าเป็น 1 ความแข็งแกร่งของกองกำลังอื่น ๆ ที่อ่อนแอกว่านั้นจะได้รับเป็นเศษเสี้ยวของความแข็งแกร่งนี้ แม้ว่ามันจะเป็นแรงที่ทรงพลังที่สุด แต่แรงนิวเคลียร์อย่างแรงจะไม่กระทำในระยะไกล มันถูกกักขังอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมและมีช่วงรัศมีประมาณรัศมีของนิวเคลียสเฉลี่ยเท่านั้น

แรงแม่เหล็กไฟฟ้าจะกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุและเป็นปฏิกิริยาหลักในทุกสิ่งที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้า เนื่องจากสสารส่วนใหญ่มีความสมดุลของอนุภาคที่มีประจุ วัตถุขนาดใหญ่มักจะเป็นกลางและแรงก็ไม่มีผลกับพวกมัน เมื่อวัตถุมีประจุ เช่น ในมอเตอร์ไฟฟ้า ในแบตเตอรี่ หรือด้วยไฟฟ้าสถิตย์ เช่น ประจุจะขับไล่และไม่เหมือนประจุดึงดูด อิเล็กตรอนเป็นพาหะประจุลบและดึงดูดโปรตอนซึ่งมีประจุบวก เมื่อประจุเคลื่อนที่ จะสร้างสนามแม่เหล็กที่มีขั้วเหนือและใต้ เช่นเดียวกับประจุ ขั้วที่เหมือนกันสองขั้วจะขับไล่และขั้วที่ต่างกันดึงดูด

แรงแม่เหล็กไฟฟ้ามีกำลังน้อยกว่าหนึ่งร้อยของแรงนิวเคลียร์อย่างแรง แต่มันสามารถกระทำได้ในระยะไกล แม้ว่ามันจะอ่อนลงเมื่อวัตถุที่มีประจุอยู่ห่างกันมากขึ้น การดึงดูดและแรงผลักในทางทฤษฎียังคงดำเนินต่อไปอย่างไม่มีที่สิ้นสุด อย่างไรก็ตาม ในระยะทางไกล เอฟเฟกต์จะเล็กน้อยและอาจไม่สำคัญ

แม้ว่าแรงนิวเคลียร์อย่างแรงจะกระทำกับอนุภาคในนิวเคลียสเท่านั้น แต่แรงนิวเคลียร์แบบอ่อนจะกระทำกับอนุภาคมูลฐานจำนวนมากและมีหน้าที่ในการแผ่รังสีธรรมชาติ มันควบคุมวิธีที่องค์ประกอบสลายตัวตามธรรมชาติเมื่อเวลาผ่านไป และเมื่ออะตอมไม่ได้อยู่ด้วยกันอีกต่อไป อนุภาคเช่นอิเล็กตรอนจะถูกขับออกในรูปของรังสี เป็นผลให้แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอมีอิทธิพลต่อการแตกตัวของนิวเคลียร์และนิวเคลียร์ฟิวชัน

แรงที่อ่อนแอนั้นแข็งแกร่งน้อยกว่าหนึ่งในล้านของแรงนิวเคลียร์อย่างแรง และมันทำหน้าที่ในระยะทางที่สั้นมากเท่านั้น แม้ว่าจะสามารถดึงดูดและขับไล่อนุภาคได้ แต่ช่วงการทำงานของมันถูกจำกัดมากจนไม่ทำหน้าที่เหมือนแรงอื่นๆ ที่ดึงหรือดันไปในระยะไกล แรงนิวเคลียร์ที่อ่อนแอนั้นคล้ายกับกาวหรือไขมันมากกว่า โดยจะทำงานในชั้นบางๆ ระหว่างอนุภาคมูลฐานเท่านั้น

แรงโน้มถ่วงทำหน้าที่เป็นแรงดึงดูดระหว่างวัตถุสองชิ้นที่มีมวล แรงโน้มถ่วงขึ้นอยู่กับมวลของวัตถุ ในชีวิตประจำวัน แรงโน้มถ่วงระหว่างโลกกับวัตถุ เช่น รถยนต์ คือน้ำหนักของรถ แรงโน้มถ่วงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับมวลของวัตถุ ตัวอย่างเช่น นม 2 ควอร์ตมีน้ำหนักเป็นสองเท่าของ 1 ควอร์ต

แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่อ่อนแอที่สุดและน้อยกว่าหนึ่งในล้านของความแรงของแรงนิวเคลียร์อย่างแรง แม้ว่าระดับอะตอมจะอ่อนแอมาก แต่วัตถุในชีวิตประจำวันก็มีมวลมากจนแรงโน้มถ่วงค่อนข้างแรง สำหรับมวลที่มากขึ้น เช่น ในดาวเคราะห์และดวงดาว แรงโน้มถ่วงนั้นแรงพอที่จะทำให้พวกมันอยู่ในวงโคจร แรงโน้มถ่วงเป็นเหมือนแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำในระยะไกลตามทฤษฎีจนถึงอนันต์ สิ่งนี้มีความสำคัญสำหรับมวลมหึมา เช่น ดาราจักรที่ดึงดูดดาราจักรอื่นแม้ว่าจะอยู่ห่างไกลกันมาก

เป็นเรื่องง่ายที่จะจินตนาการถึงแรงอื่นๆ ที่ทำงานในธรรมชาติ เช่น ลม การระเบิด หรือแรงของเครื่องยนต์ไอพ่น สิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นกองกำลังรองที่อาศัยแรงพื้นฐานสำหรับการกระทำของพวกเขา ตัวอย่างเช่น ลมพัดเนื่องจากสภาพอากาศเกี่ยวข้องกับอากาศร้อนขึ้นและอากาศเย็นลดลง อากาศเย็นจะหนักกว่าเนื่องจากแรงโน้มถ่วง ลมมีแรงเพราะโมเลกุลของอากาศถูกแรงพื้นฐานจับตัวกัน ปล่อยให้พวกมันออกแรงผลัก อันที่จริง แรงพื้นฐานทั้งสี่อยู่เบื้องหลังทุกสิ่งที่เป็นประสบการณ์