De vier fundamentele natuurkrachten

Het heelal volgens 2MASS
Ons heelal volgens de 2MASS-missie. Credit: NASA

Van het lopen over straat, het lanceren van een raket naar de ruimte, het plakken van een magneet op je koelkast. Overal heb je te maken met natuurkrachten. Maar alle krachten die we iedere dag ervaren (en veel waarvan we ons niet realiseren dat we ze dagelijks ervaren) zijn terug te brengen naar slechts vier fundamentele krachten:

  • Zwaartekracht
  • De zwakke kernkracht
  • De sterke kernkracht
  • Elektromagnetisme

Deze krachten worden de vier fundamentele natuurkrachten genoemd en ze bepalen alles wat er in het heelal gebeurt.

Zwaartekracht

Zwaartekracht is de aantrekking tussen twee objecten die massa of energie hebben. Of het nu het vallen van een steen van een brug is, een planeet die om een ster draait of de maan die getijden veroorzaakt. Zwaartekracht is waarschijnlijk de meest bekende van de fundamentele krachten maar het is ook een van de meest uitdagende om uit te leggen.

Isaac Newton was de eerste die het idee van zwaartekracht voorstelde. Hij werd vermoedelijk geïnspireerd door een vallende appel. Newton beschrijft de zwaartekracht als een letterlijke aantrekkingskracht tussen twee objecten. Eeuwen later suggereerde Albert Einstein, middels zijn algemene relativiteitstheorie, dat zwaartekracht geen aantrekkingskracht of kracht is. In plaats daarvan is het een gevolg van objecten die de ruimtetijd krommen. Een groot object werkt een beetje op de ruimtetijd zoals een grote bal die in het midden van een vel papier is geplaatst. Deze bal beïnvloedt het materiaal. Het papier wordt een beetje vervormt en zorgt er op die manier voor dat andere, kleinere objecten op het vel papier naar het midden toe vallen.

Hoewel de zwaartekracht planeten, sterren en sterrenstelsels bij elkaar houdt blijkt het de zwakste kracht van de vier fundamentele krachten te zijn, vooral op moleculair en atomair niveau. Je kan het als volgt zien: Hoe moeilijk is het om een bal van de grond op te tillen? Of om je voet op te tillen? Of Springen? Al deze acties gaan tegen de zwaartekracht van de Aarde in. En op moleculair en atoomniveau heeft de zwaartekracht bijna geen effect ten opzichte van de andere fundamentele krachten.

De zwakke kernkracht

De zwakke kernkracht, ook wel de zwakke nucleaire interactie genoemd, is verantwoordelijk voor het verval van deeltjes. Dit is letterlijk de verandering van het ene subatomaire deeltje in een ander. Bijvoorbeeld: een neutrino die te dicht bij een neutron komt kan het neutron in een proton doen veranderen. Het neutrino wordt dan een elektron.

Natuurkundigen beschrijven deze interactie door de uitwisseling van kracht-dragende deeltjes die bosonen worden genoemd. Specifieke soorten bosonen zijn verantwoordelijk voor de zwakke kracht, de elektromagnetische kracht en de sterke kernkracht. In de zwakke kernkracht zijn de bosonen geladen deeltjes die W- en Z-bosonen worden genoemd.

Wanneer subatomaire deeltjes zoals protonen, neutronen en elektronen binnen 10-18 meter, oftewel 0,1% van de diameter van een proton, van elkaar komen dan kunnen ze deze bosonen uitwisselen. Als gevolg hiervan vervallen de subatomaire deeltjes tot nieuwe deeltjes.

De zwakke kernkracht is essentieel voor bijvoorbeeld de kernfusieprocessen die in de Zon plaatsvinden en de energie produceren die nodig is voor de meeste levensvormen hier op Aarde.

Dit is ook waarom bijvoorbeeld archeologen Koolstof-14 gebruiken om oude botten, hout en andere voorheen levende artefacten te dateren. Koolstof-14 heeft 6 protonen en 8 neutronen. Een van die neutronen vervalt tot een proton om zo stikstof-14 te maken. Dit stikstof-14 heeft zeven protonen en zeven neutronen. Dit verval gebeurt met een voorspelbare snelheid waardoor wetenschappers kunnen bepalen hoe oud dergelijke artefacten zijn.

De elektromagnetische kracht

De elektromagnetische kracht wordt ook wel de Lorentz kracht genoemd en werkt tussen geladen deeltjes zoals negatief geladen elektronen en positief geladen protonen. Tegengestelde ladingen trekken elkaar aan terwijl gelijksoortige ladingen elkaar afstoten. Hoe groter de lading hoe groter de kracht. En net als bij de zwaartekracht kan deze kracht van een oneindige afstand worden gevoeld. De kracht is op die afstand dan wel oneindig klein.

Zoals de naam al aangeeft bestaat de elektromagnetische kracht uit twee delen: de elektrische kracht en de magnetische kracht. In het begin beschreven natuurkundigen deze krachten als gescheiden van elkaar maar later realiseerde men zich dat het twee componenten van dezelfde kracht zijn.

De elektrische component werkt tussen geladen deeltjes waarbij het niet uitmaakt of ze bewegen of stilstaan. Er ontstaat een veld waardoor de ladingen elkaar kunnen beïnvloeden. Maar zodra ze in beweging zijn gezet beginnen de geladen deeltjes de tweede component, de magnetische kracht, te vertonen. De deeltjes maken een magneetveld om zich heen terwijl ze bewegen. Dus wanneer elektronen door een draad stromen om bijvoorbeeld de computer of telefoon op te laden of de tv aan te zetten, dan wordt die draad magnetisch.

Elektromagnetische krachten worden tussen geladen deeltjes overgedragen door midden van de uitwisseling van massaloze, krachtdragende bosonen die we fotonen noemen. Fotonen zijn ook de deeltjes componenten van licht. De krachtdragende fotonen die tussen geladen deeltjes wisselen zijn echter een heel andere manifestatie van fotonen. Hoewel het technisch dezelfde deeltjes zijn als de echte en detecteerbare zijn deze fotonen virtueel en niet detecteerbaar.

De elektromagnetische kracht is verantwoordelijk voor enkele van de meest voorkomende verschijnselen: wrijving, elasticiteit, de normaalkracht en de kracht die vaste stoffen in een bepaalde vorm bij elkaar houdt. De kracht is zelfs verantwoordelijk voor de luchtweerstand die vogels en vliegtuigen tijdens het vliegen ervaren.

Deze acties kunnen optreden omdat geladen (of geneutraliseerde) deeltjes met elkaar in wisselwerking staan. De normale kracht die een boek op tafel houdt (in plaats van de zwaartekracht die het boek naar de grond trekt), is bijvoorbeeld een gevolg van elektronen in de atomen van de tafel die elektronen in de atomen van het boek afstoten.

De sterke kernkracht

De sterke kernkracht, ook wel de sterke nucleaire interactie genoemd, is de sterkste van de vir fundamentele kernkrachten. De sterke kernkracht is 6000 biljoen biljoen biljoen (6 met 39 nullen!) maal sterker dan de zwaartekracht. Dit komt omdat de sterke kernkracht de fundamentele materiedeeltjes aan elkaar bindt tot grotere deeltjes. De kracht houdt de quarks bij elkaar die protonen en neutronen vormen. Een deel van de kracht houdt ook protonen en neutronen van de atoomkern bij elkaar.

Net zoals bij de zwakke kernkracht werkt de sterke kernkracht alleen als subatomaire deeltjes binnen 10-15 meter van elkaar af zijn. Dat is ongeveer de diameter van een proton.

De sterke kernkracht is een vreemde kracht omdat ze anders dan de andere fundamentele krachten, zwakker wordt naarmate de subatomaire deeltjes elkaar naderen. De kracht bereikt eigenlijk de maximale sterkte als de deeltjes het verst van elkaar zijn verwijderd. Eenmaal binnen bereik brengen massaloze bosonen, gluonen genoemd, de sterke kernkracht tussen quarks over en houden ze ze aan elkaar gelijmd. Een klein deel van de sterke kernkracht, de resterende sterke kernkracht, werkt tussen protonen en neutronen. Protonen in de kern stoten elkaar af vanwege hun vergelijkbare lading maar de resterende sterke kernkracht kan deze afstoting overwinnen zodat de deeltjes gebonden blijven in de atoomkern.

De Grote Unificatietheorie

De openstaande vraag over de vier fundamentele natuurkrachten is of het werkelijk manifestaties zijn van slechts één enkele grote natuurkracht in het heelal. Als dat zo is dan moet elk van de afzonderlijke natuurkrachten versmolten kunnen worden met de andere. Natuurkundigen zoeken hier naar en er zijn er die zeggen dat dit kan.

Zo werd in 1979 de Nobelprijs voor de Natuurkunde uitgedeeld aan Sheldon Glashow, Steven Weinberg en Abdus Salam. Zij verenigden de elektromagnetische kracht met de zwakke kernkracht om zo het concept van de elektrozwakke kracht te beschrijven. Natuurkundigen die werken aan de grote unificatietheorie hebben tot doel de elektrozwakke kracht te verenigen met de sterke kernkracht om zo de elektronucleaire kracht te definiëren. Ze hebben modellen opgesteld maar die zijn in de praktijk nog niet bewezen. Het laatste stukje van de puzzel zou dan de vereniging van de zwaartekracht met de elektronucleaire kracht zijn om zo een “theorie van het alles te ontwikkelen”. Dit is dan een theoretisch raamwerk dat het hele heelal zou kunnen verklaren.

Natuurkundigen hebben het echter vrij moeilijk gevonden om de microscopische wereld samen te voegen met de macroscopische wereld. Op grote en vooral op astronomische schaal domineert de zwaartekracht en deze wordt dan het beste beschreven door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Maar op moleculaire, atomaire of subatomaire schaal beschrijft de kwantummechanica de natuurlijke wereld het best. En tot nu toe heeft niemand een goede manier gevonden om die twee werelden samen te voegen.

NGC 7293 in Aquarius
NGC 7293 in Aquarius. By The HST data are from proposal 9700. Processed images may be obtained from the Helix MAST web site. The Hubble Helix Team includes M. Meixner, H.E. Bond, G. Chapman (STScI), Y.-H. Chu (U. Illinois, Urbana-Champaign), P. Cox (Institut d’Astrophysique Spatiale, France), W. Crothers, L.M. Frattare, R.Gilliland (STScI), M. Guerrero R. Gruendl (U. Illinois, Urbana-Champaign), F. Hamilton, (STScI), R.Hook (STScI/ESO), P. Huggins (New York Univ.), I. Jordan, C.D. Keyes, A. Koekemoer (STScI), K.Kwitter (Williams College), Z.G. Levay, P.R. McCullough, M. Mutchler, K. Noll (STScI), C.R. O’Dell (Vanderbilt University), N. Panagia, M. Reinhart, M. Robberto, K. Sahu, D. Soderblom, L. Stanghellini, C. Tyler, J. Valenti, A. Welty, R. Williams (STScI). The CTIO data were taken by C.R. O’Dell (Vanderbilt University) and L.M. Frattare (STScI). The science team includes C.R. O’Dell (Vanderbilt University), P.R. McCullough and M. Meixner (STScI).Credit: NASA, ESA, and C.R. O’Dell (Vanderbilt University)News Release Number: STScI-2004-32 – Image, complementary information, Public Domain, Link

Natuurkundigen die de kwantumzwaartekracht bestuderen proberen de kracht in termen van de kwantumwereld te beschrijven. Dit zou kunnen helpen bij het samenvoegen van de krachten. Fundamenteel voor die benadering is de ontdekking van het graviton. Dit is het theoretische krachtdragende boson van de zwaartekracht. Zwaartekracht is de enige fundamentele kracht die natuurkundigen momenteel kunnen beschrijven zonder krachtdragende deeltjes te gebruiken. Maar omdat beschrijvingen van alle andere fundamentele krachten krachtdragende deeltjes vereisen verwachten natuurkundigen dat gravitonen op subatomair niveau moeten bestaat. Ze zijn echter nog steeds niet gevonden.

Het verhaal wordt gecompliceerder door het onzichtbare rijk van donkere materie en donkere energie. Dit maakt ongeveer 95% uit van het heelal. Het is onduidelijk of donkere materie en donkere energie bestaan uit een enkel deeltje of een hele reeks deeltjes die hun eigen krachten en boodschapperbosonen hebben.

Het belangrijkste boodschapperdeeltje dat momenteel interessant is, is het theoretische donkere foton. Dit donkere foton zou bemiddelen tussen interacties van het zichtbare met het onzichtbare heelal. Als er donkere fotonen bestaan dan zouden ze de sleutel zijn om de onzichtbare wereld van donkere materie te detecteren en zouden ze kunnen leiden tot de ontdekking van een vijfde fundamentele kracht. Tot dusver is er echter helemaal geen bewijs dat donkere fotonen bestaan en sommige onderzoekers hebben ook sterk bewijs geleverd dat deze deeltjes helemaal niet kunnen bestaan.

Andere artikelen in deze serie:

  • Wat is de zwakke kernkracht
  • Wat is de sterke kernkracht
  • Wat is de elektromagnetische kracht
  • Wat is de elektromagnetische kracht

Eerste publicatie: 2 september 2020
Bron: Livescience & anderen