Οι τέσσερις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων

Άρθρο, Φεβρουάριος 2002

Ο κόσμος που γνωρίζουμε υπάρχει γιατί τα θεμελιώδη σωματίδια αλληλεπιδρούν. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις συμπεριλαμβάνουν ελκτικές και απωθητικές δυνάμεις, διασπάσεις και εξαϋλώσεις. Είναι η πιό απλή εξήγηση γιατί υπάρχει ο κόσμος που βλέπουμε.

Υπάρχουν όμως τέσσερις θεμελιώδης αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων και όλες οι δυνάμεις μπορούν να αποδοθούν σ' αυτές τις τέσσερις αλληλεπιδράσεις.

Όλες λοιπόν οι δυνάμεις που μπορεί να σκεφτεί κανείς -- η τριβή, ο μαγνητισμός, η βαρύτητα, οι πυρηνικές διασπάσεις κλπ. -- προκαλούνται από μια από αυτές τις τέσσερες θεμελιώδης δυνάμεις.

Αλλά ποια είναι η διαφορά μεταξύ "δύναμης" και "αλληλεπίδρασης";

Είναι πολύ δύσκολο να γίνει η διάκριση. Για να κυριολεκτήσουμε, η δύναμη είναι το αποτέλεσμα πάνω σε ένα σωματίδιο λόγω της ύπαρξης άλλων σωματιδίων. Οι αλληλεπιδράσεις ενός σωματιδίου συμπεριλαμβάνουν όλες τις δυνάμεις που το επηρεάζουν καθώς και τις διασπάσεις και τις εξαϋλώσεις που μπορούν να συμβούν στο σωματίδιο.

Ο λόγος που υπάρχει αυτή η σύγχυση είναι ότι ο περισσότερος κόσμος, ακόμη και οι περισσότεροι φυσικοί, εναλλάσσουν τις λέξεις "δύναμη" και "αλληλεπίδραση" κατά την χρήση τους, παρ' ότι η λέξη "αλληλεπίδραση" είναι πιο σωστή. Για παράδειγμα, ονομάζουμε τα σωματίδια τα οποία φέρουν την αλληλεπίδραση φορείς της δύναμης. Συνήθως δεν υπάρχει πρόβλημα να εναλλάσσουμε αυτούς τους δύο όρους, αλλά θα πρέπει να γνωρίζουμε ότι είναι δύο διαφορετικές έννοιες.

Οι τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις είναι λοιπόν:

• βαρυτική
• ηλεκτρομαγνητική
• ισχυρή πυρηνική και
• ασθενής πυρηνική

Οι δυο πρώτες όμως που μελετήθηκαν στους τελευταίους τρεις αιώνες, τις αντιλαμβανόμαστε στην καθημερινή μας ζωή., ενώ οι δύο τελευταίες που έγιναν γνωστές τα τελευταία εβδομήντα χρόνια τις "αισθανθήκαμε" όταν διασπάσαμε τον πυρήνα ή όταν μελετήσαμε τις πυρηνικές αντιδράσεις.

Πώς αλληλεπιδρούν τα σωματίδια της ύλης;

Αποδεικνύεται ότι όλες οι αλληλεπιδράσεις που επηρεάζουν την ύλη συμβαίνουν εξ αιτίας των σωματιδίων φορέων της δύναμης, που είναι ένας διαφορετικός τύπος σωματιδίων. Αυτά τα σωματίδια, ενώ ανταλλάσσονται μεταξύ των σωματιδίων, δεν μπορούν να τα αντιληφθούμε. Αυτό που συνήθως σκεφτόμαστε σαν "δυνάμεις" είναι συνήθως η επίδραση των σωματιδίων φορέων της δύναμης πάνω στα σωματίδια.

Επίσης αυτά τα σωματίδια φορείς της δύναμης μπορούν να απορροφηθούν ή να παραχθούν μόνο από σωματίδια που μπορούν να επηρεασθούν από την συγκεκριμένη δύναμη. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια έχουν ηλεκτρικό φορτίο, άρα μπορούν να παράγουν ή να απορροφήσουν το σωματίδιο φορέα της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, που είναι το φωτόνιο. Αντίθετα τα νετρίνο, δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο, άρα δεν μπορούν να παράγουν ή να απορροφήσουν φωτόνια.  

Σταθερές σύζευξης για τις θεμελιώδεις δυνάμεις

Για την σύγκριση των σχετικών ισχύων των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων, χρησιμοποιούμε τη σταθερά σύζευξης α. Η σταθερά αυτή είναι χωρίς διαστάσεις.

Σταθερές Σύζευξης
Ισχυρή		1
Ηλεκτρομαγνητική		1/137
Ασθενής		10-6
Βαρυτική		10-39

Ειδικά η ηλεκτρομαγνητική σταθερά σύζευξης λέγεται και σταθερά λεπτής υφής και βρίσκεται από τη σχέση :

όπου 

Σωμάτια Ανταλλαγής των Θεμελιωδών δυνάμεων

Και οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις εμπλέκονται στην ανταλλαγή ενός ή περισσοτέρων σωματιδίων, που ονομάζονται φορείς.
Η ισχυρή δύναμη όμως μέσω της ανταλλαγής των πιονίων συγκρατεί τα νουκλεόνια στον πυρήνα, ενώ πιό 'εσωτερικά' (στα μεσόνια ή βαρυόνια) η δράση της ισχυρής δύναμης ανάμεσα στα κουάρκ γίνεται με ανταλλαγή των γκλουονίων. Η ισχυρή ονομάζεται τότε και δύναμη χρώματος αφού βλέπει όχι την γεύση των κουάρκ αλλά μόνο το χρώμα τους.

Περιοχή δράσης ή Εύρος των Θεμελιωδών δυνάμεων

Επειδή κάθε θεμελιώδης δύναμη εκδηλώνεται με την ανταλλαγή ενός σωματιδίου και το σωματίδιο αυτό πρέπει να "γυρίσει πίσω πριν αυτό χαθεί" τότε ορισμένα μεγέθη πρέπει αναγκαστικά να ταιριάζουν με την αρχή της αβεβαιότητας και την ισοδυναμία Ενέργειας-Μάζας. Ένα σωματίδιο λοιπόν με μάζα m και ενέργεια ηρεμίας E=mc² μπορεί να ανταλλαχθεί μόνο εάν αυτό δεν πάει έξω από τα όρια που του θέτει η Αρχή της Αβεβαιότητας

Ένα τέτοιο σωματίδιο που ζει μέσα σε αυτά τα όρια ονομάζεται "φανταστικό σωματίδιο" ή "δυνητικό σωματίδιο" (virtual particle). Ο χρόνος στην ανωτέρω σχέση εκφράζει ακριβώς το χρόνο ζωής αυτού του φανταστικού σωματιδίου. Ενώ η ταχύτητά του είναι η μεγαλύτερη στη φύση, η ταχύτητα του φωτός c. Άρα η μεγαλύτερη περιοχή που δρά ένα τέτοιο σωματίδιο είναι της τάξεως του

Σαν παράδειγμα για την περιοχή δράσης του πιονίου της ισχυρής δύναμης, γνωρίζοντας ότι η μάζα του ουδέτρου πιονίου είναι 264 φορές τη μάζα του ηλεκτρονίου ή 135.0 MeV/c², η προηγούμενη σχέση δίνει 0.73 x 10^-15 m ή 0.61 της κλασσικής ακτίνας του πρωτονίου.

Αναφορές: Σύγχρονη Φυσική Serway, Μαθήματα Φυσικής του Berkeley, Εκπαιδευτική Εγκυκλοπαίδεια, CERN, Uni of Stanford, Ιστοσελίδα της Φυσικής στο ΕΜΠ., Φυσική Rohlf.