כוחות היסוד

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

כוח יסוד (או תגובת יסוד) הוא מנגנון לפיו חלקיקים מגיבים האחד עם השני, בצורה שאינה מוסברת על ידי כוח בסיסי יותר. כל תופעה פיזיקלית בסיסית, החל בהתנגשות גלקסיות וכלה בתנועת קווארקים בפרוטון, יכולה להיות מוסברת באמצעות מנגנון זה. בגלל החשיבות הבסיסית של מנגנון זה, הבנת כוחות היסוד מעסיקה פיזיקאים כבר למעלה מיובל.

הפיזיקה המודרנית מונה ארבעה כוחות יסוד: כוח הכבידה, הכוח האלקטרו-מגנטי, הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש. עוצמתם והתנהגותם היא מאוד מגוונת, כפי שניתן לראות בטבלה שלהלן. אף על פי כן, כיום, רבים סבורים כי חלק מהכוחות האלו הם למעשה צורת התגלמות שונה של כוח אחד בסיסי יותר. כך לדוגמה, בעבר, הכוח החשמלי והכוח המגנטי נחשבו לכוחות נפרדים, וכעת נתפסים כשני היבטים של כוח יחיד – הכוח האלקטרומגנטי. כיום, התגלה כי הכוח האלקטרומגנטי והכוח הגרעיני החלש, הם למעשה שני היבטים של הכוח האלקטרו-חלש. כוחות אלו "מתאחדים" רק בתגובות אנרגטיות יותר (הנוצרות למשל במאיצי-חלקיקים), ובאנרגיה נמוכה – נדמים ככוחות נפרדים. תאוריה בשם התאוריה המאוחדת הגדולה מנסה לאחד את הכוח האלקטרו-חלש עם הכוח הגרעיני החזק, אולם היא עדיין אינה עומדת במבחן הניסוי. ובאשר לכוח הכבידה, הניסיון לאחד אותו עם שלושת הכוחות האחרים מציב עד עתה אתגרים רבים. התורה אשר תאחד את כוח הכבידה עם כוחות קוואנטום עדיין לא פותחה, אולם היא מכונה תורת כבידה קוונטית.

כוח תורה נוכחית בוזוני כיול כוח יחסי (בקירוב) טווח (במטרים)
חזק כרומודינמיקה קוונטית (QCD) גלואון 1038 10-15
אלקטרומגנטי אלקטרודינמיקה קוונטית (QED) פוטון 1036 אינסופי
חלש התורה האלקטרו-חלשה בוזוני W ו-Z 1025 10-18
כוח הכבידה תורת היחסות הכללית גרביטון 1 אינסופי

לא ניתן לתאר את אופן הפעולה של כוחות היסוד באותם מונחים המשמשים את הפיזיקה הקלאסית של אייזק ניוטון (ומסיבה זו, לרוב מכנים אותם תגובות יסוד ולא כוחות יסוד). התפיסה המודרנית של מכניקת קוואנטום גורסת כי שלושת כוחות היסוד (מלבד כבידה), פועלים בצורה הבאה: חלקיקי חומר (פרמיונים) לא מגיבים אחד עם השני ישירות. הם נושאים מטען כלשהו (כגון מטען חשמלי), ומחליפים ביניהם חלקיקים וירטואלים (הנקראים בוזוני כיול או בוזוני כוח), אשר למעשה נושאים את הכוח בין החלקים. במילים אחרות, חלקיקים אלמנטריים מפעילים כוחות אחד על השני באמצעות בוזוני כיול אשר הם מעבירים ביניהם. כך למשל, פוטונים הם החלקיקים אשר נושאים את הכוח בין חלקיקים הטעונים במטען חשמלי, וגורמים להם להימשך או להידחות אחד מן השני.

כוחות היסוד[עריכת קוד מקור | עריכה]

כוח הכבידה[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – כבידה

כוח הכבידה הוא הכוח החלש ביותר מבין כוחות היסוד. עם זאת, מפני שטווח פעולתו הוא אינסופי, ומפני שכל המסות חיוביות, לכוח זה יש חשיבות רבה ביקום. כיוון שכל המסות חיוביות, לגופים גדולים כגון כוכבי לכת, כוכבים וגלקסיות, יש מסה כוללת עצומה, ועל כן הם מפעילים כוח כבידה משמעותי. לצורך השוואה, המטען החשמלי הכולל שמפעילים גופים אלו הוא אפס, כיוון שבממוצע, סכום המטענים החיוביים וסכום המטענים השליליים שעליהם שווה, ולכן הם מבטלים זה את זה. כמו כן, הכבידה פועלת על כל גוף ואנרגיה, בניגוד לכוחות אחרים, אשר פועלים רק על גופים בעלי "מטען" מתאים (לדוגמה, הכוח האלקטרומגנטי פועל רק על גוף בעל מטען חשמלי).

הכבידה פועלת על גבי מרחקים ארוכים מאוד. תכונה זו מסייעת לה ליצור תופעות בקנה מידה עצום, כגון מבנה הגלקסיות, חורים שחורים והתפשטות היקום, לצד תופעות אסטרונומיות בסיסיות יותר כגון המסלולים של כוכבי לכת. כמו כן, הכבידה אחראית על תופעות יומיומיות כמו נפילת חפצים, "הדבקת" חפצים כבדים לרצפה, ומניעה מגופים להתעופף בחופשיות באוויר.

הכבידה היא כוח היסוד הראשון אשר תואר בצורה מתמטית. בימי קדם, אריסטו סבר כי גופים בעלי מסה שונה ייפלו בקצב שונה. במהלך המהפכה המדעית, גלילאו גליליי ערך ניסויים אשר הוכיחו כי סברה זו שגויה: אם נזניח את החיכוך שיוצר האוויר, כל הגופים נופלים לאדמה באותה תאוצה. חוקי הכבידה של אייזק ניוטון (1687) היוו קירוב טוב לאופן פעולתה של הכבידה. בשנת 1915, אלברט איינשטיין השלים את תורת היחסות הכללית, המעניקה תיאור מדויק יותר של הכבידה במונחים של גאומטריית מרחב-זמן.

כיום נערך מחקר פעיל בניסיון לאחד את תורת היחסות הכללית - המיטיבה לתאר את התגובות המתרחשות בקנה המידה הגדול של גלקסיות וכוכבים, ואת מכניקת הקוואנטום - המיטיבה לתאר את התגובות המתרחשות בקנה המידה הזעיר של אטומים וחלקיקים. תורה אשר תמזג בין שתי התורות שלעיל מכונה תורת כבידה קוונטית. רבים מאמינים, כי בתורה זו, תשתלב הכבידה באמצעות חלקיק הקרוי גרביטון. חלקיק כזה הוא עדיין תאורטי, וטרם נצפה בניסויים.

על אף שנדמה כי תורת היחסות הכללית מצליחה לתאר בצורה מדויקת את הכבידה (בקנה המידה הלא-קוואנטי), קיימות לצידה מספר תאוריות חלופיות המנסות להסביר את תופעת הכבידה. כל תורה כזו אשר זוכה להתייחסות רצינית כלשהי בקרב קהיליית הפיזיקאים, מתכנסת בסופו של דבר לתורת היחסות הכללית בגבול מסוים. לכן, המנסים לתמוך את התורות הללו בניסויים ותצפיות, מתמקדים ראשית במציאת הגבול בין התורות החלופיות לבין תורת היחסות הכללית.

הכוח האלקטרומגנטי[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – אלקטרומגנטיות

הכוח האלקטרומגנטי הוא הכוח הפועל בין חלקיקים בעלי מטען חשמלי. הוא כולל את הכוח האלקטרוסטאטי, הפועל בין מטענים הנמצאים במצב מנוחה (מטענים נייחים), וכן את האפקט המשולב של הכוחות החשמליים והכוחות המגנטיים, הפועלים על מטענים אשר נעים אחד ביחס לשני.

כוח זה הוא כוח חזק יחסית הפועל בקנה מידה גדול, ומתאר תופעות רבות מחיי היומיום שלנו: החל בלייזרים ובמקלטי רדיו, עד מבנה האטום והמבנה של מתכות וכלה בחיכוך ובהופעת הקשת בענן. בקנה מידה קטן יותר, הכוח גורם למשל למשיכה בין שני מטענים שסימנם הפוך ודחייה בין שני מטענים שסימנם דומה.

תופעת החשמל ותופעת המגנטיות נצפו עוד בימי קדם, אולם רק במאה ה-19 התגלה כי מדובר בשני היבטים של כוח יחיד. בשנת 1864, ג'יימס קלרק מקסוול הצליח לתאר מתמטית את תופעת האלקטרומגנטיות, המאחדת את הכוח החשמלי והכוח המגנטי, ומשואותיו היו אחד ההישגים האדירים של הפיזיקה בתקופתו. אחת המשמעויות של משוואות מקסוול, הייתה שהאור הוא למעשה גל אלקטרומגנטי, כלומר גל העובר בשדה האלקטרומגנטי. בשנת 1905, איינשטיין פיתח את תורת היחסות הפרטית, וקבע באמצעותה כי מהירות האור קבועה. בנוסף, הצליח להסביר את האפקט הפוטואלקטרי, בכך שהניח כי האור מחולק לקוואנטות - ולמעשה בנוי מחלקיקים, אשר כונו פוטונים. בין השנים 1927 עד 1940, פול דיראק איחד את מכניקת הקוונטים עם תורת היחסות הפרטית, ויצר את תורת האלקטרודינמיקה הקוונטית. על פי תורה זו, חלקיקים טעונים מגיבים על ידי העברת מידע באמצעות פוטונים.

בשנת 1919, תיאודור קלוצה הבחין בתכונה מוזרה של האלקטרומגנטיות, והיא: משוואות התורה האלקטרומגנטית הקלאסית של מקסוול נובעות בצורה טבעית ממשוואות תורת היחסות הכללית של איינשטיין, כאשר מניחים שלמרחב יש ממד רביעי. תכונה זו היא הבסיס לתאוריית קלוצה-קליין, אשר סייעה למאמצים לפיתוח תורת כבידה קוונטית.

הכוח הגרעיני החזק[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – הכוח הגרעיני החזק

לפני שנות ה-70, כאשר האמינו כי פרוטונים ונייטרונים הנם חלקיקים אלמנטריים, מדענים השתמשו במונח "כוח חזק" לתיאור הכוח המחזיק אותם יחד בגרעין האטום. כאשר התגלו הקווארקים המרכיבים את הפרוטונים והנייטרונים, וכאשר התפתחה התורה של כרומודינמיקה קוונטית, מושג הכוח הגרעיני החזק שימש לתיאור הכוח המחזיק קווארקים ואנטי-קווארקים יחדיו.

על פי התורה של כרומודינמיקה קוונטית (QCD), הכוח הגרעיני החזק מועבר בעזרת גלואונים בצורה דומה לדרך שבה הכוח האלקטרומגנטי מועבר באמצעות פוטונים. הכוח פועל בין חלקיקים אשר נושאים "מטען צבע" – קווארקים וגלואונים. מאפיין ייחודי של כוח זה, הוא שהחלקיקים המעבירים את הכוח – הגלואונים, יכולים להגיב בינם לבין עצמם, כיוון שגם להם יש מטען צבע. תכונה זו יוצרת אי-תלות של הכוח במרחק, ואפשר להסיק מכך כי הכוח פועל על גבי מרחק אינסופי. עם זאת, בפועל, כאשר החלקיקים המגיבים בתגובה זו מתרחקים, האנרגיה האגורה בשדה הכוח גדלה עד כדי כך שהיא יכולה ליצור צמדי חלקיק ואנטי-חלקיק חדשים. מנגנון זה מבטיח שקווארק לא יוכל להופיע בודד.

הכוח המחזיק את הפרוטונים והנייטרונים (נוקליאונים) יחדיו בגרעין האטום, הנו הכוח הגרעיני, שהוא תוצאה של הכוח הגרעיני החזק. כיוון שהכוח החזק חזק בהרבה מהכוח האלקטרומגנטי, הוא יכול בנקל להחזיק פרוטונים רבים יחדיו בגרעין האטום, על אף הדחייה החשמלית העצומה שלהם.

הכוח הגרעיני החלש[עריכת קוד מקור | עריכה]

Postscript-viewer-shaded.png ערך מורחב – הכוח הגרעיני החלש

הכוח הגרעיני החלש נקרא בשמו כיוון שהוא חלש פי כ-1013 מהכוח הגרעיני החזק. כוח זה אחראי על תופעות מסוימות בקנה המידה הזעיר של גרעין האטום, כגון התפרקות בתא – תהליך בו מתפרק נייטרון לפרוטון, כאשר הוא פולט אלקטרון ואנטי-נייטרינו אלקטרוני. התגובה החלשה היא ייחודית, שכן מדובר בתגובה היחידה המוכרת בטבע אשר אינה שומרת על סימטריית מראה (סימטריית C), ובכך שוברת את חוק שימור השניות. פירוש הדבר הוא, שאם עורכים ניסוי הכולל תגובה חלשה, ועורכים את אותו הניסוי כאשר הוא נראה כתמונת-מראה של הניסוי הראשון – התוצאה לא תהיה זהה. הכוח שובר גם סימטריית CP (המשלבת הן סימטריית מראה והן סימטריית מטען), אולם אינו שובר סימטריית CPT (המשלב בתוכו גם סימטריית זמן בנוסף לשתי הסימטריות האחרות).

כיום, הכוח האלקטרומגנטי והכוח הגרעיני החלש מתוארים כשני היבטים שונים של אותו כוח – הכוח האלקטרו-חלש. את הכוח האלקטרו-חלש המאוחד ניתן לראות רק באנרגיות גבוהות, הנוצרות בתנאים של מאיץ חלקיקים. הבנת "איחודם" של שני הכוחות הייתה הצעד הראשון בדרך לפיתוח תורה מאוחדת לכל הכוחות, המכונה המודל הסטנדרטי.

התפתחויות אחרונות[עריכת קוד מקור | עריכה]

המודל הסטנדרטי הוא תורה קוונטום-מכנית מאוחדת של שלושה כוחות: הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החלש והכוח הגרעיני החזק. כיום, על אף שקיימות תורות המנסות לשלב את הכבידה במכניקת הקוונטים (למשל תורת המיתרים), לא קיימת תורה אשר מקובלת על הכל כמועמדת ברורה להיות תורת הכבידה הקוונטית. החיפוש אחר תורה מתקבלת על הדעת של כבידה קוונטית, וכן חיפוש אחר תאוריה מאוחדת גדולה, הם תחומים חשובים במחקר הפיזיקה של ימינו.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

לקריאה נוספת[עריכת קוד מקור | עריכה]

  • Feynman, Richard P. (1967). The Character of Physical Law. MIT Press. ISBN 0-262-56003-8
  • Weinberg, S. (1993). The First Three Minutes: A Modern View of the Origin of the Universe. Basic Books. ISBN 0-465-02437-8
  • Weinberg, S. (1994). Dreams of a Final Theory. Vintage Books USA. ISBN 0-679-74408-8
  • Padmanabhan, T. (1998). After The First Three Minutes: The Story of Our Universe. Cambridge University Press. ISBN 0-521-62972-1
  • Perkins, Donald H. (2000). Introduction to High Energy Physics. Cambridge University Press. ISBN 0-521-62196-8


ארבעת כוחות היסוד של הפיזיקה