Fundamentele wisselwerking

In fisika is daar vier fundamentele wisselwerkings, ook bekend as basiese natuurkragte. Alle kragte volg uit dié vier basiese wisselwerkings. Hulle is die swaartekrag- en die elektromagnetiese wisselwerking, wat aansienlike kragte oor ’n lang afstand produseer waarvan die uitwerking in die alledaagse lewe gesien kan word, en die sterk en die swak wisselwerking, wat kragte op subatomiese afstande produseer.

Sommige wetenskaplikes^[1][2][3] glo daar bestaan dalk ’n vyfde krag, maar dit word nie algemeen aanvaar nie en is nog nie bewys nie.

Elk van die bekende fundamentele wisselwerkings kan wiskundig as ’n veld beskryf word. Swaartekrag word toegeskryf aan die kromming van ruimtetyd, wat deur Einstein se algemene relatiwiteitsteorie beskryf word. Die ander drie is diskrete kwantumvelde en hul wisselwerkings word bemiddel deur elementêre deeltjies wat in die Standaardmodel^[4] van deeltjiefisika beskryf word.

Binne die Standaardmodel word die sterk wisselwerking oorgedra deur ’n deeltjie met die naam gluon en is dit verantwoordelik vir die binding van kwarke om hadrone soos protone en neutrone te vorm. As ’n nawerking skep dit die kernkrag wat laasgenoemde deeltjies bind om atoomkerns te vorm. Die swak wisselwerking word oorgedra deur deeltjies bekend as W- en Z-bosone. Dit werk ook in op die kerns van atome en bemiddel radioaktiewe verval. Die elektromagnetiese krag, wat deur fotone oorgedra word, skep elektriese en magneetvelde wat verantwoordelik is vir die aantrekking tussen wentelende elektrone en atoomkerns, en dit hou atome bymekaar. Dit is ook verantwoordelik vir chemiese binding en elektromagnetiese golwe, insluitende sigbare lig, en vorm die grondslag vir elektriese tegnologie. Hoewel die elektromagnetiese krag baie sterker as swaartekrag is, is dit geneig om homself in groot voorwerpe uit te kanselleer. Oor die grootste afstande (op die skaal van planete en sterrestelsels) is swaartekrag dus geneig om die oorheersende krag te wees.

Al vier fundamentele kragte is vermoedelik verwant en by hoë energieë op ’n minuskule lengte, die Plancklengte,^[5] in ’n enkele krag verenig. Deeltjieversnellers kan egter nie die enorme energieë opwek wat nodig is om dit eksperimenteel te ondersoek nie. Pogings om ’n algemene teoretiese raamwerk op te stel wat die verhouding tussen die kragte sal verduidelik, is vandag moontlik die grootste mikpunt van teoretiese fisici. Die swak en die elektromagnetiese krag is reeds verenig met die elektroswak teorie van Sheldon Glashow^[6], Abdus Salam^[7] en Steven Weinberg,^[8] en daarvoor het hulle in 1979 die Nobelprys vir fisika gewen. Die kombinasie van die sterk krag met dié twee kragte (die "teorie van die groot vereniging") is goed onderweg, hoewel daar nog geen eksperimentele bewys voor is nie. Die kombinasie van swaartekrag en die ander wisselwerkings (die teorie van alles), is egter nog steeds problematies omdat swaartekrag deur die algemene relatiwiteitsteorie beskryf word en die ander kragte deur die kwantumteorie, en hulle is moeilik verenigbaar.

In die begripsmodel van fundamentele wisselwerkings bestaan materie uit fermione, wat eienskappe het soos ladings en spin ±¹⁄₂. Hulle trek mekaar aan of stoot mekaar af deur bosone uit te ruil.

Die model vir die wisselwerking van enige paar fermione lyk dan so:

Twee fermione gaan in → wisselwerking deur bosonuitruiling → twee veranderde fermione kom uit.

Die uitruiling van bosone dra altyd energie en momentum oor tussen die fermione, en verander so hul snelheid en rigting. Die uitruiling kan ook ’n lading tussen die fermione vervoer en die ladings van die fermione in die proses verander (dus een soort fermion in ’n ander verander). Omdat bosone een eenheid hoekmomentum het, sal die fermion se spinrigting verander van +¹⁄₂ in −¹⁄₂ (of omgekeerd).

Omdat ’n wisselwerking daartoe lei dat fermione mekaar aantrek en afstoot, is "krag" ’n ouer term vir wisselwerking.

Die magnitude en gedrag van die vier fundamentele kragte verskil grootliks, soos in die tabel onder gesien kan word. Moderne fisici probeer elke waargenome fisiese verskynsel aan die hand van hierdie fundamentele wisselwerkings verduidelik. Dit blyk ook wenslik te wees om die getal verskillende soorte wisselwerkings te verminder. Twee voorbeelde hiervan is die kombinasie van:

• die elektriese en die magnetiese krag in die elektromagnetiese krag;
• die elektromagnetiese en die swak krag in die elektroswak krag.

Beide magnitude ("relatiewe sterkte") en "reikwydte", soos in die tabel aangedui, is net betekenisvol binne ’n taamlik ingewikkelde teoretiese raamwerk. Kennis moet ook geneem word dat die tabel eienskappe van ’n begripskema lys wat nog ondersoek word.

Wisselwerking	Huidige teorie	Bemiddelaars	Relatiewe sterkte	Langafstandgedrag	Reikwydte (m)
Swak	Elektroswak teorie (EWT)	W- en Z-bosone	1025	${\displaystyle {\frac {1}{r}}\ e^{-m_{W,Z}\ r}}$	10−18
Sterk	Kwantumchromodinamika (QCD)	Gluone	1038	${\displaystyle {\sim r}}$ (kleurinperking	10−15
Elektromagneties	Kwantumelektrodinamika (QED)	Fotone	1036	${\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}}$	∞
Swaartekrag	Algemene relatiwiteit (GR)	Gravitone (hipoteties)	1	${\displaystyle {\frac {1}{r^{2}}}}$	∞

Die moderne kwantummeganiese siening van die fundamentele kragte buiten swaartekrag is dat materiedeeltjies (fermione) nie regstreeks in ’n wisselwerking betrokke is nie, maar ’n lading het en virtuele deeltjies (ykbosone) uitruil wat die kragdraers of -bemiddelaars is. Fotone bemiddel byvoorbeeld die wisselwerking van elektriese ladings, en gluone bemiddel die wisselwerking van kleurladings.

• Hierdie artikel is vertaal uit die Engelse Wikipedia