A négy alapvető kölcsönhatás

Ebben a videóban szeretnék egy általános áttekintést adni a világegyetem négy alapvető kölcsönhatásáról. A gravitációval kezdem. Lehet, hogy lesz köztetek, akik meglepőnek találja, hogy a gravitáció a leggyengébb a négy alapvető kölcsönhatás közül. Ez meglepő, mert mondhatod, hogy nahát, ez az, ami ideköt minket, vagy nem ideköt, de megakadályozza, hogy leugorjunk a bolygóról, ez tartja a Holdat a Föld körüli pályán, a Földet a Nap körüli pályán, a Napot a Tejútrendszer középpontja körüli pályán. Tehát ez egy kicsit meglepő, hogy valójában ez a leggyengébb az erők közül. De ez értelmet fog nyerni, ha az ember szintjén gondolkodsz dolgokon, vagy molekuláris szinten, vagy akár atomi szinten. Még az ember szintjén is: közötted és a számítógéped között van valamekkora gravitációs vonzás, de nem veszed észre. Vagy a mobiltelefonod és a pénztárcád között is van gravitációs vonzás, de nem látod, hogy úgy vonzanák egymást, mint ahogy két mágnest látnál, ahogy vonzzák egymást, vagy taszítják egymást. Ha még kisebb szinteken vizsgálódsz, azt fogod látni, hogy még kevésbé számít. A kémiában soha nem beszélünk a gravitációról, pedig ott is van, de azon a szinten a többi erő sokkal, sokkal jelentősebb. Tehát a gravitáció a leggyengébb. Ha innen egy kicsit feljebb lépünk, akkor – ezt az erőt a legnehezebb elképzelni, legalábbis én ezt tudom a legkevésbé elképzelni –, ez a gyenge erő, időnként gyenge kölcsönhatásnak nevezik (magyarul gyenge kölcsönhatás). Ez felelős a radioaktív bomlásokért, különösen a negatív béta-bomlásért és a pozitív béta-bomlásért. Csak hogy mutassak egy példát a gyenge kölcsönhatásra: a cézium-137-ben a 137 azt jelenti, hogy 137 nukleonja van, a nukleon a proton és a neutron közös neve, ha összeadjuk a cézium protonjainak és neutronjainak a számát, akkor 137-et kapunk –, ez cézium, mert pontosan 55 protonja van. Na most, a gyenge kölcsönhatás az, ami felelős azért, hogy egy neutron ezek közül – lényegében az egyik kvark alakul át a neutronban – átváltozik protonná. Nem fogok belemenni a részletekbe, hogy mi az a kvark és minden ilyesmi, matematikailag is elég meredek lenne, csak egy példát akartam mutatni a gyenge kölcsönhatásra. Tehát ha egy neutron ezek közül átalakul protonná, akkor eggyel több proton lesz, de ugyanannyi lesz a nukleonok száma. Egy neutron helyett egy proton lesz itt, így ez már egy másik atom, ez már bárium. Az átalakulás során a neutron kibocsát egy elektront és egy elektron-antineutrínót. Nem fogok belemenni a részletekbe, hogy mi az elektron-antineutrínó. Ezek alapvető részecskék. Tehát ez a gyenge kölcsönhatás. Ez nem olyan valami, ami teljesen nyilvánvaló számunkra, nem az a fajta hagyományos erő, ami egymáshoz vonzza a dolgokat, vagy eltaszítja egymástól a dolgokat, amit a többi erőhöz társítunk. A következő, még erősebb erő... – és csak hogy legyen elképzelésed, milyen gyenge a gravitáció, még a gyenge kölcsönhatáshoz képest is: a gyenge kölcsönhatás 10²⁵-szer erősebb a gravitációnál. Mondhatnád, hogy ha ez ilyen erős, hogy lehetséges, hogy csak a bolygókon hat, vagy csak a Földhöz viszonyítva hat ránk? Miért nem vonatkozik a galaxisok közötti távolságokra, mint a gravitáció? Ennek az az oka, hogy a gyenge kölcsönhatás hatótávolsága nagyon-nagyon kicsi. Tehát ugyan sokkal erősebb, mint a gravitáció, de nagyon-nagyon... – valójában csak szubatomi méretekben hat. Ha ennél nagyobb távolságra megyünk, akkor megszűnik, mint tényleges erő, mint tényleges kölcsönhatás. A következő erő a sorban, amit sokkal jobban ismerünk, ami lényegében túlsúlyban van a kémiának abban a részében, amivel mi foglalkozunk, az az elektromágnesség, az elektromágneses erő. Rózsaszínnel írom, elektromágneses erő. Csak hogy legyen elképzelésed: ez 10³⁶-szor erősebb, mint a gravitáció, tehát átveszi a gyenge kölcsönhatás helyét, 10¹²-szer erősebb, mint a gyenge kölcsönhatás. Ezek hatalmas számok, amikről beszélünk, akár ehhez képest, akár a gravitációhoz képest. Mondhatod, hogy rendben, ismered az elektromágneses erőt, ez elképzelhetetlenül erős, de miért nem hat olyan nagy távolságokra, mint a gravitáció? Hadd írjam le ide, nagy távolságok. Miért nem hat nagy távolságokra? Nincs semmi az elektromágneses erőben, ami miatt nem hat vagy éppen hat nagy távolságokra. Az igazság az, hogy nincs olyan nagy koncentrációja az elektromos töltéseknek vagy a mágnesességnek, mint a tömegnek. Tehát az a tömeg, ami ennyire koncentrált, hatalmas távolságokra tud hatni, még akkor is, ha az erő sokkal, sokkal gyengébb, mint az elektromágneses erő. Az elektromágneses erő esetén az történik, hogy mivel vonzó is és taszító is, a töltések hajlamosak maguktól rendeződni, szóval a töltéseknek nincs ilyen hatalmas koncentrációja. A másik dolog, amin talán csodálkozol, hogy miért elektromágneses erőnek hívják? A hétköznapi életünkben vannak olyan dolgok, mint a Coulomb-erő, vagy elektrosztatikus erő, amiket jól ismerünk. A pozitív töltések, vagy az azonos töltések taszítják egymást – ha mindkettő negatív lenne, ugyanez történne –, a különböző töltések vonzzák egymást, sokszor láttuk már ezt, ez a Coulomb-erő vagy elektrosztatikus erő. És a szó másik felén ott van az, hogy mágneses. A mágnesek... – játszottál már a hűtőmágnesekkel – ha ugyanazt a végüket közelítjük egymáshoz, akkor taszítani fogják egymást, ha az ellentétes végüket, az ellentétes pólusokat, akkor vonzani fogják egymást. Szóval miért hívják ezt egyetlen erőnek? Azért nevezik egyetlen erőnek – és ismétlem, nem fogok belemenni a részletekbe –, azért egyetlen erő, mert kiderült, hogy a Coulomb-erő, az elektrosztatikus erő és a mágneses erő tulajdonképpen ugyanaz a dolog, amelyet különböző vonatkoztatási rendszerekben nézünk. Szóval nem megyek bele a részletekbe, de csak tartsd észben, hogy kapcsolatban állnak egymással. Egy későbbi videóban jobban belemegyek annak a szemléltetésébe, hogyan kapcsolódnak egymáshoz. Ez sokkal nyilvánvalóbb, amikor a töltések relativisztikus vonatkoztatási rendszerben mozognak. Nem megyek bele ennek a részleteibe, de tartsd észben, hogy a kettő lényegében ugyanaz az erő, csak más vonatkoztatási rendszerből nézve. Végül a legerősebb erő, aminek valószínűleg mind közül legjobb a neve, az erős kölcsönhatás. Habár valószínűleg még nem találkoztál ezzel a kémiaórákon, valójában nagy szerepe van a kémiában. Mert az elejétől fogva, amikor először tanulsz az atomokról... – hadd rajzoljak egy héliumatomot! A héliumatom magjában van két proton és két neutron, és aztán van még két elektron, amelyek a mag körül keringenek. Tehát van elektronja – rajzolhatnám az elektront sokkal kisebbre, nem is próbálom méretarányosra csinálni –, két elektron lebeg a mag körül. És egy kérdés, ami lehet, hogy eszedbe jutott, lehet, hogy nem, amikor először láttad ezt az atommodellt, hogy jó, azt látod, hogy az elektronokat miért vonzza az atommag, ezek negatív töltésűek, az atommag eredő töltése pedig pozitív, de ami nem annyira nyilvánvaló – és néha nem magyarázzák el a kémiaórán –, az az, hogy ez a két pozitív töltés itt van egymás mellett, és ha csak az elektromágneses erő hatna, ha a Coulomb-erő lenne az egyetlen dolog, ami itt hat, akkor ezek a protonok eltávolodnának egymástól, taszítanák egymást. Az egyetlen oka annak, hogy ezek képesek együtt maradni, az, hogy van egy még erősebb kölcsönhatás, mint az elektromágneses erő, ami ilyen nagyon-nagyon kicsi távolságoknál működik. Tehát ha két proton elég közel van egymáshoz – az erős kölcsönhatás hatótávolsága nagyon-nagyon kicsi, az atomon belül, vagy inkább azt mondanám, hogy az atommagon belül hat –, akkor jön képbe az erős kölcsönhatás. Szóval ekkor lényegében az erős kölcsönhatás tartja együtt ezeket a töltéseket. És még egyszer, csak tartsd észben, hogy a gravitációhoz képest, hogy ez 10³⁸-szor erősebb a gravitációs erőnél, vagy körülbelül 100-szor erősebb, mint az elektromágneses erő. Tehát még egyszer, azért nem látod az erős kölcsönhatást – amelyik a legerősebb az összes erő közül – és a gyenge kölcsönhatást nagy távolságokban hatni, mert az erejük nagyon-nagyon gyorsan csökken, még a nagyobb sugarú atommagokban is elkezd csökkenni az erő, különösen az erős kölcsönhatás esetében. Annak az oka pedig, hogy nem látod az elektromágneses erő hatását nagy távolságok esetén – pedig elméletileg olyan, mint a gravitáció – az, hogy a töltéseket nem látod úgy összesűrűsödni a világegyetemben, mint a tömeget, mert a sűrűn elhelyezkedő töltések elrendeződnek, elkezdenek kiegyenlítődni. Ha van itt egy hatalmas pozitív töltés, és itt egy hatalmas negatív töltés, akkor ezek vonzani fogják egymást, és aztán lényegében egy nagy semleges töltésű halmaz jön létre, és ha ez már egy semleges töltésű halmaz, akkor semmivel sem lép (elektromágneses) kölcsönhatásba. És a gravitáció: ha van egy tömeg és egy másik tömeg, és ezek vonzzák egymást, akkor lesz egy másik tömeg, ami még inkább vonzza a többi testet, tehát folyamatosan magához vonzza a dolgokat, szóval ez egyfajta hógolyó hatás. Ezért hat a gravitáció ezekre a nagyon nagy, hatalmas objektumokra az univerzumban és az egész világegyetemre.