Lực cơ bản
Lực cơ bản là các loại lực của tự nhiên mà tất cả mọi lực, khi xét chi tiết, đều quy về các
loại lực này.
Trong cơ học cổ điển, lực cơ bản là các lực không bao giờ biến mất dưới phép biến đổi hệ
quy chiếu. Trong cơ học cổ điển cũng tồn tại lực quán tính không thể quy về các lực cơ
bản. Tuy nhiên loại lực này được coi là "lực ảo", do luôn tìm được hệ quy chiếu mà lực
này biến mất (gọi là hệ quy chiếu quán tính).
Mô hình vật lý hiện đại cho thấy có bốn loại lực cơ bản trong tự nhiên: lực hấp dẫn, lực
điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu.
Trong cuộc sống hằng ngày, các lực mà chúng ta hay bắt gặp đều chủ yếu có nguồn gốc
từ lực điện từ; ngoại trừ lực hấp dẫn từ Trái Đất. Ví dụ như các lực khi có va chạm cơ học
giữa các vật thể thông dụng đều quy về lực tương tác giữa các phân tử hay nguyên tử, cụ
thể là lực điện từ giữa hạt nhân và electron của chúng. Lực cơ học này bao gồm phản lực
giữa các vật rắn, lực đẩy Acsimét trong các chất lỏng và chất khí, lực ma sát giữa các bề
mặt, lực nâng cánh máy bay trong khí động lực học, sức căng bề mặt hay các lực điện từ
thể hiện ở mức độ phân tử. Các phản ứng hóa học cũng được điều khiển bởi lực điện từ,
như khi chúng tạo ra lực đẩy trong động cơ đốt trong. Các đồ điện, như động cơ điện,
hiển nhiên sử dụng theo phương thức trực tiếp lực điện từ.
Lực hấp dẫn
Lực hấp dẫn là lực yếu nhất trong bốn lực cơ bản của tự nhiên, hình thành ở thang đo lớn,
hay thang thiên văn học. Lực hấp dẫn giữa hai vật có khối lượng là m1 và m2, có kích
thước rất nhỏ so với khoảng cách, r, giữa chúng, được tính theo định luật vạn vật hấp dẫn
Newton:
với G ≈ 6,67 x 10-11 N m2/kg2 và được gọi là hằng số hấp dẫn.
Lực hấp dẫn luôn luôn là lực hút và xảy ra ở đường nối tâm của 2 vật với nhau. Lực hấp
dẫn của hai vật có độ lớn bằng nhau nhưng ngược hướng nhau, tuân theo đúng định luật
thứ 3 của Newton. Theo các nhà vật lý hạt thì có một hạt mang tên là graviton, hay hạt
truyền tương tác của lực hấp dẫn.
Lực hấp dẫn có dạng gần giống với lực Coulomb áp dụng cho các điện tích, vì chúng đều
tuân theo luật nghịch đảo bình phương khoảng cách. Điều này đã gợi ra cho Albert
Einstein những ý tưởng đầu tiên về việc thống nhất lực hấp dẫn và lực điện từ; tuy nhiên
kết quả đã không thành công. Về sau, ở thập niên 1960, người ta đã thống nhất được 3
lực còn lại, được biểu diễn ở trong điện-yếu thống nhất (electroweak unification), đây là
sự kết hợp của lực điện từ, lực tương tác mạnh và lực tương tác yếu vào làm một.
Ngày nay, các nhà vật lý nhận thấy rằng lực hấp dẫn và lực điện từ có một điểm chung và
cả hai đều xuất hiện bởi sự có mặt của các hạt truyền tương tác với khối lượng bằng 0.
Điều này mở những hướng nghiên cứu mới để thống nhất 4 lực của tự nhiên vào một
dạng duy nhất.
Lực điện từ
Lực điện từ là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Nó cũng là sự kết hợp của lực điện
(còn gọi là lực Coulomb với các điện tích điểm đứng yên) và lực từ (sinh ra bởi các hạt
mang điện tích khi di chuyển). Về cơ bản, cả lực điện và lực từ đều được miêu tả dưới
dạng một lực truyền với sự có mặt của hạt truyền tương tác là quang tử.
Quá trình lượng tử hóa lực điện từ được miêu tả trong thuyết điện động lực học lượng tử,
hay còn gọi là thuyết QED. Lực điện từ là một lực có biên độ vô hạn, nó tuân thủ theo
luật nghịch đảo bình phương khoảng cách giống như lực hấp dẫn.
Lực điện từ tồn tại giữa các hạt mang điện tích như electron hay quark, và có độ lớn
khoảng 1042 lần so với lực hấp dẫn. Có hai loại điện tích là điện tích âm và điện tích
dương, hai hạt cùng điện tích sẽ đẩy nhau và ngược điện tích sẽ hút nhau. Trái đất, mặt
trời, các hành tinh... chứa cùng một lượng hạt điện tích âm và điện tích dương, do đó
chúng trung hoà và không có lực điện từ.
Lực điện từ giữa electron và proton là lý do để cho electron nằm trên quỹ đạo của hạt
nhân.
Lực tương tác mạnh
Lực tương tác mạnh là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Lực này giữ các thành
phần của hạt nhân của nguyên tử lại với nhau, chống lại lực đẩy rất lớn giữa các proton.
Lực này được chia làm hai thành phần, lực mạnh cơ bản và lực mạnh dư. Lực tương tác
mạnh ảnh hưởng bởi các hạt quark, phản quark và gluon, cũng như các boson truyền
tương tác của chúng. Thành phần cơ bản giữ các quark lại với nhau để hình thành các
hadron như proton và neutron. Thành phần dư giữ các hadron lại trong hạt nhân của một
nguyên tử. Ở đây còn có một hạt gián tiếp là bosonic hadron, hay còn gọi là meson.
Theo thuyết sắc động lực học lượng tử, mỗi quark mang trong mình điện tích màu, ở một
trong 3 dạng "đỏ", "xanh lam" hoặc "xanh lơ". Đó chỉ là những tên, hoàn toàn không liên
hệ gì với màu thực tế. Đối quark là các hạt như "đối đỏ", "đối xanh lam", "đối xanh lơ".
Cùng màu đẩy nhau, trái màu hút nhau. Lực hút giữa hạt màu và hạt đối màu của nó là rất
mạnh. Các hạt chỉ tồn tại nếu như tổng màu của chúng là trung hòa, nghĩa là chúng có thể
hoặc được kết hợp với đối đỏ, đối xanh lam và đối xanh lơ như trong các hạt baryon,
proton và neutron, hoặc một quark và một đối quark của nó có sự tương ứng đối màu
(như hạt meson).
Lực tương tác mạnh xảy ra giữa hai quark là nhờ một hạt trao đổi có tên là gluon.
Nguyên lý hoạt động của hạt gluon có thể hiểu như trái bòng bàn, và hai quark là hai vận
động viên. Hai hạt quark càng ra xa thì lực tương tác giữa chúng càng lớn, nhưng khi
chúng gần xát nhau, thì lực tương tác này bằng 0. Có 8 loại gluon khác nhau, mỗi loại
mang một màu điện tích và một đối màu điện tích (có 3 loại màu, nhưng do có sự trung
hòa giống như đỏ + xanh + vàng = trắng ngoài tự nhiên, nên chỉ có 8 tổ hợp màu giữa
chúng).
Mỗi một cặp tương tác của quark, chúng luôn luôn thay đổi màu, nhưng tổng màu điện
tích của chúng được bảo toàn. Nếu một quark đỏ bị hút bởi một quark xanh lam trong
một baryon, một gluon mang đối xanh lam và đỏ được giải phóng từ quark đỏ và hấp thụ
bởi quark xanh lam, và kết quả, quark đầu tiên chuyển sang quark xanh lam và quark thứ
hai chuyển sang quark đỏ (tổng màu điện tích vẫn là xanh lam + đỏ). Nếu một quark xanh
lơ và một đối xanh lơ quark tuơng tác với nhau trong một meson, một gulon mang, ví dụ
như đối đỏ và xanh lơ sẽ được giải phóng bởi quark xanh lơ và hấp thụ bởi một đối xanh
lơ quark, và kết quả, quark xanh lơ chuyển sang màu đỏ và đối xanh lơ đối quark chuyển
sang màu đỏ (tổng màu điện tích vẫn là 0). Hai quark xanh lam đẩy nhau và trao đổi một
gluon mang điện tích màu xanh lam và đối xanh lam, các quark vẫn dữ nguyên điện tích
màu xanh lam.
Hiện tượng không thể tách rời các quark xa nhau gọi là hiện tượng giam hãm
(confinement). Có một giả thuyết rằng các quark gần nhau sẽ không tồn tại lực tương tác
mạnh và trỏ thành tự do, giả thuyết này còn gọi là sự tự do tiệm cận và có thể được giải
thích bằng nguyên lý quả bóng bàn như trên.
Lực tương tác yếu
Lực tương tác yếu xảy ra ở mọi hạt cơ bản trừ các hạt proton và gluons, ở đó có sự trao
đổi của các hạt truyền tương tác là vector W boson và Z boson.
Lực tương tác yếu xảy ra ở một biên độ rất ngắn, bởi vì khối lượng của những hạt W
boson và Z boson vào khoảng 80 GeV, nguyên lý bất định bức chế chúng trong một
khoảng không là 10 − 18 m, kích thước này chỉ nhỏ bằng 0,1% so với đường kính của
proton. Trong điều kiện bình thường, các hiệu ứng của chúng là rất nhỏ. Có một số định
luật bảo toàn hợp lệ với lực tương tác mạnh và lực điện từ, nhưng lại bị phá vỡ bởi lực
tương tác yếu. Mặc dầu có biên độ và hiệu xuất thấp, nhưng lực tương tác yếu lại có một
vai trò quan trọng trong việc hợp thành thế giới mà trong ta quan sát.
Lực tương tác yếu chuyển đổi một hương quark sang một hương khác. Nó có vị trí quan
trọng trong cấu trúc vũ trụ của chúng ta, bởi vì:
• Mặt trời sẽ không chiếu sáng nếu không có lực tương tác yếu bởi vì sự chuyển đổi
từ proton sang neutron, ở đó deuterium, nguyên tố đồng vị của hidro được tạo ra
và tạo ra phản ứng hidro, với nguồn năng lượng giải phóng cực lớn.
• Là cần thiết cho việc tạo nên khối lượng rất lớn của hạt nhân.
Việc khám phá ra vector boson W và Z vào năm 1983 đã là một bằng chứng xác thực ủng
hộ lý thuyết gộp lực tương tác yếu và lực điện từ vào một thể là điện - yếu thống nhất.