V.7.7. Interacțiunile (forțele) fundamentale.

• V.7.7.1. Interacțiunile fundamentale - Generalități.
• V.7.7.2. Interacțiunea gravitațională.
• V.7.7.3. Interacțiunea electromagnetică.
• V.7.7.4. Interacțiunea tare.
• V.7.7.5. Interacțiunea nucleară slabă.
• V.7.7.6. Unificarea interacțiunilor fundamentale.

V.7.7.1. Interacțiunile fundamentale - Generalități.

Universul există deoarece particulele fundamentale interacționează între ele.

O interacţiune (forţă) fundamentală este mecanismul prin care particulele interacționează şi care nu poate fi exprimată prin alte mecanisme de interacţiune.

Diversitatea tuturor forțelor din natură (forța de frecare, forța elastică, forțele explozive etc.) este rezultatul interacțiunii atomilor între ei. Cum principalul tip de interacțiune dintre atomi este electromagnetică, s-a dovedit că majoritatea acestor forțe sunt doar diferite manifestări ale interacțiunii electromagnetice.

Gravitația este cauzată de interacțiunea gravitațională dintre corpurile care au masă.

Până la începutul secolului al XX-lea toate forțele cunoscute la acea vreme au fost reduse la două interacțiuni fundamentale: electromagnetice și gravitaționale.

La începutul secolului al XX-lea, odată cu descoperirea nucleonilor (protoni și neutroni), cele două forțe nu puteau explica ce menține acești nucleonii în nucleu. Iată că existența unei noi forțe fundamentale, forța nucleară tare (puternică) a adus lumină în fizica nucleului.

Fenomenul de dezintegrare a unui neutron liber nu putea fi explicat de forța tare. Atunci s-a postulat existența unei interacțiuni nucleare slabe, iar aceasta s-a dovedit până acum suficientă pentru a descrie toate fenomenele observate până acum în microcosmos.

Fizica particulelor elementare consideră că fiecare interacțiune se transmite prin intermediul unui câmp cuantificat alcătuit dintr-o particulă considerată un pachet discret de energie, numită cuantă de câmp. Întreaga "saltea" a câmpurilor care generează aceste particule fac posibilă existența Universului.

Conform fizicii moderne, toate fenomenele fizice din Univers pot fi descrise prin patru forțe fundamentale:
- interacțiunea gravitațională,
- interacțiunea electromagnetică,
- interacțiunea nucleară tare și
- interacțiunea nucleară slabă.

🔦 Observație

De la descoperirea bosonului Higgs, câmpul Higgs se crede că este cea de-a cincea forță fundamentală.

Pentru a clarifica interacțiunile fundamentale trebuie să ne reamintim dimensiunile particulelor.

V.7.7.2. Interacțiunea gravitațională.

Încă din antichitate savanții știau de atracția gravitațională dintre corpuri și Pământ, dintre Lună și Pământ, dintre Soare și planete etc.

În 1619, astronomul german Kepler a enunțat legile care guvernează mișcarea planetelor în jurul Soarelui, pe baza observațiilor astronomice făcute de Brache.

Legea atracției gravitaţionale, enunțată de Newton şi publicată în anul 1687, a fost confirmată prin studierea mişcării planetelor în jurul Soarelui şi a sateliților în jurul planetelor.

Legea atracției universale:

Două corpuri cu masele m₁ și m₂, considerate punctiforme față de distanța dintre ele, se atrag reciproc printr-o forță direct proporțională cu produsul maselor corpurilor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele, orientată pe direcția dreptei ce unește centrele de greutate ale celor două corpuri.

🔦 Observație

Valoarea constantei K a atracției universale a fost determinată experimental, pentru prima oară, în anul 1798, de Sir Henry Cavendish. El a folosit o balanţă de torsiune.

Forța gravitațională se manifestă la distanță prin intermediul câmpului gravitațional. Câmpul gravitațional este un câmp vectorial care descrie forța gravitațională care acționează asupra unui obiect în orice punct dat din spațiu, pe unitatea de masă.

Intensitatea câmpului gravitațional (Γ) într-un punct este egală cu raportul dintre forța ce acționează din partea câmpului asupra unui corp aflat în acel punct și masa corpului. În Sistemul Internațional, intensitatea câmpului gravitațional se măsoară în m/s².

Modulul intensității câmpului gravitațional este direct proporțional cu masa M a sursei și invers proporțional cu pătratul distanței (r) față de sursă:

🔦 Observație

La suprafața unei planete intensitatea câmpului gravitațional este egală cu accelerația gravitațională la suprafața planetei, g₀. Pentru Pământ avem:

În fizica modernă, gravitația este descrisă de teoria relativității generalizate la scară macroscopică (propusă de Albert Einstein în 1915), care consideră gravitația nu ca o forță, ci ca o consecință a curburii în metrica spațiu-timpului cauzată de distribuția inegală a masei.

Cuanta de câmp este gravitonul, o particulă ipotetică la ora actuală. Gravitonul este asociat unor stări coerente ale undelor gravitaţionale.

O undă gravitațională este o fluctuație în curbura spațiu-timp, care se propagă ca o undă. Radiația gravitaţională apare atunci când undele gravitaţionale sunt emise de un obiect sau de un sistem de obiecte care gravitează.

Unde gravitaţionale cauzate de o stea neutronică

Relativitatea generală prevede că energia poate fi transportată dintr-un sistem prin radiații gravitaționale. Orice materie accelerată poate crea curburi în metrica spațiu-timp, care este modul în care radiația gravitațională este transportată departe de sistem.

Obiectele coorbitante pot genera curburi în spațiu-timp, cum ar fi sistemul Pământ-Soare, perechi de stele neutronice și perechi de găuri negre. Un alt sistem astrofizic prevăzut să piardă energie sub formă de radiații gravitaționale este format din supernovele care explodează.

În acord cu teoria generală a relativității a lui Einstein, atât un corp lăsat liber pe Pământ cât și Stația Spaţială Internațională sunt în cădere liberă de-a lungul unei traiectorii curbe în spațiu-timp, produsă de masa Pământului. Obiectele cosmice care se deplasează prin Univers urmează cea mai scurtă cale în acest spațiu-timp distorsionat de mase.

Primele dovezi indirecte pentru radiații gravitaționale au fost prin măsurători ale binarului Hulse–Taylor în 1973. Acest sistem constă dintr-o stea pulsară și una neutronică pe orbită una în jurul celeilalte. Perioada orbitală a scăzut de la descoperirea inițială din cauza unei pierderi de energie de către sistem și ca urmare a apropierii în spirală a uneia față de cealaltă, ceea ce are ca rezultat o accelerare treptată a pulsațiilor de la pulsar. Această cercetare a primit premiul Nobel pentru fizică în 1993.

În data de 17 martie 2014, o echipă de astronomi din cadrul Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics a susținut că a detectat undele gravitaționale asociate inflației cosmice ca modele distincte în radiația cosmică de fond.

Primele dovezi directe pentru radiații gravitaționale au fost măsurate la 11 februarie 2016. Observatorul Interferometru Laser de unde Gravitaționale (LIGO) a anunțat că a reușit să detecteze unde gravitaționale generate în timpul coliziunii a două găuri negre aflate la 1,3 miliarde de ani lumină de Terra. El a detectat oscilații ale oglinzilor care la început au fost mai rare, apoi din ce în ce mai rapide la contopirea a două găuri negre masive, una cu masa de 29 de ori mai mare decât a Soarelui, iar cealaltă de 36 de ori mai masivă. În august 2017, LIGO a surprins e efectele coliziunii a două stele neutronice. În octombrie 2017 Rai Weiss, Kip Thorne şi Barry Barish (fostul director al LIGO) au primit Premiul Nobel pentru Fizică.

Detectorul LIGO identifică undele gravitaționale datorită micilor distorsiuni pe care acestea le produc în spațiu-timp atunci când trec prin el. Acest interferometru are două brațe lungi de 4 km și două fascicule laser identice în interior. Când unda gravitațională trece prin el, lumina laser dintr-un braț al detectorului se va comprima, iar în celălalt se va extinde. Astfel, se va crea o minusculă schimbare în lungimile relative ale traiectoriei fasciculelor care ajung la detector.

Undele gravitaționale pot avea lungimi de undă diferite. Acestea sunt egale cu raportul dintre viteza undei (egală cu viteza luminii) și frecvența acestora.

De exemplu, stelele binare emit unde gravitaționale cu o frecvență de 0,01 Hz și o lungime de undă de ordinul zecilor de milioane de km, neputând fi detectate aici pe Pământ. Undele gravitaționale determinate de fuziunea a două găuri negre au o frecvență de 100 Hz și o lungime de undă de ordinul miilor de km, putând fi detectate.

Gravitația este cea mai slabă dintre cele patru interacțiuni fundamentale ale fizicii, aproximativ 10³⁸ de ori mai slabă decât interacțiunea tare, 10³⁶ de ori mai slabă decât forța electromagnetică și 10²⁹ de ori mai slabă decât interacțiunea slabă. În consecință, nu are nici o influență semnificativă la nivelul particulelor subatomice. În schimb, este interacțiunea dominantă la scară macroscopică și este cauza formării, formei și traiectoriei (orbitei) corpurilor cerești.

V.7.7.3. Interacțiunea electromagnetică.

Interacțiunea electromagnetică este interacțiunea care se manifestă între corpurile încărcate cu sarcină electrică. Ea se manifestă în atom între electronii negativi şi nucleul pozitiv, fiind responsabilă de formarea câmpului electric şi magnetic în jurul sarcinilor electrice şi a curenților electrici.

Sarcinile electrice generează câmpuri electrice E.

Câmpul electric este o regiune din spațiu în jurul unei sarcini electrice, care se manifestă prin acțiuni asupra altor sarcini electrice plasate în apropiere.

Considerăm sarcina Q sursa câmpului electric și sarcina de probă q, situată în câmpul electric.

Câmpurile electrice acționează asupra sarcinilor electrice prin forța electrică, dată de legea lui Coulomb.

Sarcina de probă q "simte" câmpul electric generat de sarcina sursă Q sub forma unei forțe electrice, care este dată de legea lui Coulomb (considerăm corpurile electrizate punctiforme, cu dimensiunea foarte mică în comparație cu distanța dintre ele):

Dacă facem raportul F/q obținem o mărime care nu depinde decât de proprietățile câmpului și care poate fi adecvată pentru caracterizarea acestui câmp, numită intensitatea câmpului electric.

Fizicianul Oersted a stabilit prima legătură între electricitate şi magnetism, demonstrând că în jurul unui conductor parcurs de curent electric apare un câmp magnetic.

Deci, sarcinile electrice în mișcare (care produc un curent electric) generează câmpuri magnetice de inducție magnetică B.

Câmpurile magnetice acționează asupra sarcinilor electrice în mișcare prin forța magnetică (forța Lorentz), F.

F = q ∙ v x B

Michael Faraday a reușit să producă pentru prima oară curent electric în urma acțiunilor magnetice, descoperind fenomenul de inducție electromagnetică. El a arătat că într-adevăr câmpurile magnetice variabile pot deplasa sarcinile electrice. Astfel, câmpurile magnetice variabile în timp generează câmpuri electrice.

Câmpurile electrice și magnetice variabile se vor genera unele pe altele, făcând astfel posibilă existența și evoluția câmpului electromagnetic, chiar în absența sarcinilor electrice.

Câmpul electromagnetic reprezintă o asociere dintre un câmp electric și unul magnetic variabile în timp, care se generează reciproc și se propagă împreună în spațiu sub formă de radiații (unde) electromagnetice.

Orice undă electromagnetică este caracterizată de o anumită lungime de undă (λ) și de o anumită frecvență (ν), respectiv perioada oscilației (T).

Radiațiile electromagnetice sunt niște lumini invizibile ochiului nostru, cu excepția luminii vizibile, având toate aceeași viteză ca a luminii de 300000000 m/s. Ele sunt atât naturale, cât și artificiale.

În teoria cuantică a câmpului, toate variaţiile undelor electromagnetice pot fi descrise în termeni de propagare a fotonilor, considerați cuantele (particule de schimb) de interacțiune electromagnetică.

V.7.7.4. Interacțiunea tare.

Forța nucleară tare face ca protonii și neutronii să rămână integri și stabili, fiind intermediată de către mezoni.

Mezonii sunt considerați pachete discrete de energie ale câmpului nuclear.

Cum protonii, neutronii și mezonii sunt formați din quarci, forța nucleară tare nu mai este o interacțiune fundamentală. Astfel, legătura nucleară dintre protoni și neutroni este la bază o legătură dintre quarci și gluoni. Prin urmare, interacțiunea tare dintre quarci și gluoni este o interacțiune fundamentală.

Interacțiunea tare se mai numește și forță de culoare deoarece gluonii virtuali, care mediază interacțiunea dintre quarci, sunt încărcați cu sarcină de culoare.

🔦 Observație

Chiar dacă prin vid înțelegem niciun fel de substanță (materie), în fizica particulelor elementare vidul nu înseamnă nimic, ci existența unor câmpuri cuantice care transmit interacțiunile fundamentale prin particule virtuale.

Interacțiunile tari sunt caracterizate prin următoarele proprietăţi:

- particulele de schimb sunt purtătoare de sarcină de culoare (gluoni şi/sau quarci);

- timpul de interacţiune (viaţa medie) este tipic de ≈ 10^-23 s;

- raza efectivă de acțiune este R ≈ 10^-15 m.

V.7.7.5. Interacțiunea nucleară slabă.

Interacțiunea nucleară slabă (forța slabă) este cauzată de schimbul de bosoni W și Z, care reprezintă cuantele câmpului forței slabe, având o rază de acțiune foarte scurtă, de aproximativ 10^-18 m.

Neutrinii sunt leptoni neutri din punct de vedere electric care interacționează cu materia prin forța nucleară slabă.

Cum antiparticulele pot fi privite ca niște particule care călătoresc înapoi în timp, putem să considerăm antineutrinul care iese din reacție ca un neutrin care intră în reacție. Astfel obținem o reacție în care un neutrin electronic se ciocnește de un neutron, cu formarea unui proton și electron:

ν_e + n⁰ → p⁺ + e^-

Neutrinul interacționează foarte slab cu materia (proton, neutron etc.) de unde și denumirea de interacțiune nucleară slabă.

Un alt exemplu de interacţiune slabă este dezintegrarea beta inversă (captura antineutrinului), de către un proton, cu formarea unui neutron și a unui pozitron:

p⁺ + ṽ_e → n⁰ + e⁺

Interacțiunile slabe au următoarele proprietăţi:

- particulele de schimb sunt bosonii W şi Z;

- apare între toate particulele și se poate asocia în mod deosebit proceselor în care apare neutrinul;

- durata medie de interacţiune este de 10^-8 s;

- raza de acțiune este R ≈ 10^-18 m.

V.7.7.6. Unificarea interacțiunilor fundamentale.

Modelul standard postulează existenţa unui câmp universal, în care stă scufundat tot ce există, tot cosmosul, iar acest câmp este numit câmpul Higgs. El nu se poate vedea și nu poate fi detectat nici măcar cu instrumente sofisticate. Particulele trec prin acest câmp și cele care interacționează cu el capătă o masă nenulă (de exemplu, bosonii W, electronii), iar altele îl traversează fără să interacționeze cu el și rămân cu masa nulă (de exemplu, fotonii).

🔦 Observație

Modelul standard al particulelor încă nu poate explica masa de repaus nenulă a neutrinilor, cu toate că ea a fost confirmată experimental (m_neutrin ≈ 12 eV).

Starea de energie minimă a câmpului Higgs, care definește vidul clasic, are o valoare nenulă.

Perturbațiile cuantificate ale câmpului Higgs în jurul stării de energie minimă definesc particula numită boson Higgs, ingredientul esențial al teoriei electroslabe.

Bosonul Higgs, cu masă de repaus nenulă, a fost descoperit în anul 2012 în cadrul Large Hadron Collider (LHC) de la CERN (Centrul European pentru Cercetare Nucleară).

În 1967, Salam și Weinberg au creat teoria interacțiunii electroslabe, combinând electromagnetismul și interacțiunile slabe.

Ulterior, în 1973, a fost propusă teoria interacțiunii puternice (cromodinamica cuantică). Pe baza acestora a fost construit Modelul Standard al particulelor elementare, care descrie interacțiunile electromagnetice, slabe și puternice.

În prezent, toate particulele elementare ale Modelului Standard au fost descoperite, iar proprietățile lor au fost prezise de către acesta și astfel Modelul Standard a fost verificat experimental.

La ora actuală, interacțiunile fundamentale sunt descrise de două teorii general acceptate:

- Teoria generală a relativității și

- Modelul standard.

Unificarea lor nu a fost încă realizată din cauza dificultăților de a crea o teorie cuantică a gravitației.

Problemele actuale din fizică, încă nerezolvate, sunt de două feluri:

1. De natură experimentală :

• proprietățile bosonului Higgs;

• materia întunecată concentrată în galaxii, care este mult mai multă decât materia obișnuită și care nu interacționează prin intermediul niciuneia dintre forțele cunoscute, exceptând forța gravitațională, astfel încât nu generează și nu absoarbe lumina. Ea nu este nici gaz intergalactic (plasmă ionizată), nici gaură neagră. Oare să fie formată din particule elementare ce interacționează doar gravitațional cu materia ?

• energia întunecată este energia responsabilă cu expansiunea accelerată a Universului;

• masa nenulă a neutrinilor etc.

2. De natură teoretică:

• tăria interacțiunii gravitaționale (fiind cea mai mică dintre cele patru interacțiuni fundamentale);

• colapsul undei de probabilitate (când particula este măsurată, unda de probabilitate se schimbă brusc astfel încât descrie rezultatul obținut);

• energia de zero a vidului (energia stocată în moduri de vibrație de energie minimă, astfel încât vidul nu este chiar gol);

• gravitația cuantică (care să unifice mecanica cuantică a lumii microscopice cu teoria relativității a lumii macroscopice) etc.